ZPW-2000A发送器电源口浪涌设计方案

2011-07-13李云川贾敏捷

铁路通信信号工程技术 2011年5期

李云川贾敏捷

（沈阳铁路信号有限公司，沈阳 110025）

当前，铁路建设快速发展，铁路运输向着更快速、更高效、更安全的方向发展。现在国内铁路区间主要采用ZPW—2000A无绝缘移频自动闭塞系统，该系统由北京全路通信信号研究设计院有限公司设计。系统主要包括室内设备和室外设备，其中发送器属于室内设备，它在系统中产生18种低频、8种载频的高精度、高稳定的移频信号源，属于直接影响铁路行车安全的信号设备。发送器内部由数字电路和模拟电路组成，它们耐冲击小，易损害，而发送器工作的DC 24 V电源又是由外部电源屏提供，也是浪涌通过传导方式进入设备内部的一个主要通道。为了阻止浪涌从电源口进入产品内部对电路形成危害，必须在电源口采取防护措施。由于受发送器体积影响，需采用最直接、最简单的浪涌抑制器件来进行防护。

1 主要浪涌抑制器件

目前主要使用的抑制浪涌器件有气体放电管、压敏电阻、硅瞬变电压吸收二极管和半导体放电管[1]。

1.1 气体放电管

优点：电流通容量大（上千安）；寄生电容最小，通常在2～10 pF；导通时残余电压低，约10～35 V。

缺点：标称电压范围75～1 000 V，档位稀疏，离散性大；响应时间较慢，为80 ns左右,不能单独用于保护敏感电子器件；有续流问题，在直流及交流系统中使用时需注意克服后续电流有害影响。

1.2 压敏电阻

优点：电流通容量大（上千安）；标称电压范围在11～1 800 V，其间档次较多；响应时间快，为25 ns左右；无续流问题。

缺点：容易老化，动作次数多后,漏电流会增大,从而导致压敏电阻过热,最终导致老化失效；寄生电容较大，其值在几百pF至几千pF之间,不利于对高频电子电路的保护。

1.3 硅瞬变电压吸收二极管

优点：响应时间最快，可达ps级；标称电压范围在3～495 V，其间档次极多，适合做最后一级精密保护；无续流问题。

缺点：通流量小；寄生电容较大，其值在几百pF至几千pF之间，不利于对高频电子线路的保护。

1.4 半导体放电管

优点：响应时间快,可达ns级；标称电压范围5～550 V，其间档次极多，且导通时残压低（3～5 V），适合做最后一级精密保护；寄生电容较小，通常在几十pF；功耗极低,可无限重复使用,基本不会老化。

缺点：通流量一般；有续流问题。

综上所述，不同的抑制器件有不同的特性，适用于不同的应用环境。有时在实际中采用一种器件很难起到所要的效果，这时可以把几种器件组合起来使用，比如吸收能力大而响应时间慢的（如气体放电管）做一级粗保护，而速度快、限压精度高的（如硅瞬变电压吸收二极管和半导体放电管）做后级保护，这样能起到更好的保护作用；有时也可以采用滤波器和铁氧体磁芯来作为后级电路的保护。

2 电源口浪涌（冲击）抗扰度设计方案

结合发送器实际电路和各浪涌抑制器件的优缺点进行综合分析，最终选择压敏电阻作为一级防护，在数字电路前再用一个滤波器作为数字电路的二级防护。电路如图1所示。

2.1 一级防护

图1中压敏电阻FR1、FR2、 FR3选择的是某国外公司的S20K30型压敏电阻，该压敏电阻的直流最大连续工作电压为38 V，标称电压为47 V，最大限制电压为93 V，8/20 us波形时的通流为2 000 A，选择该型号压敏电阻依据原则如下[1]。

1)交流回路中，压敏电阻的标称电压应为交流额定电压（有效值）的2.2～2.5倍。

2）直流回路中，压敏电阻的标称电压应为直流额定电压的1.8～2倍。

3)最大连续工作电压应大于设备的额定工作电压。

4)最大限制电压应小于后级保护设备耐压水平，否则达不到保护作用。

发送器工作电压为DC 23～25 V，后级保护电路中模拟电路里的大功率管V30、V18的VCE0、VCB0均为120 V,滤波器横向耐压220 V,纵向耐压2 500 V,电源模块纵向耐压≥1 000 V，横向耐压100 V，按照压敏电阻选择原则，所选压敏电阻最大直流连续工作电压应大于发送器的最大直流工作电压25 V, 标称电压值应大于1.8×25=45 V,最大限制电压应小于后级保护电路中耐压水平最低的100 V(电源模块横向耐压值)，S20K30型压敏电阻正好满足各项指标要求。

2.2 二级防护

经上述分析，一级防护已能对后级电路进行完全保护，之所以还要在数字电路前再增加一个滤波器作为二级防护，是因为一个设备电源口的电磁兼容除了浪涌外，还包括电快速脉冲群、传导发射及辐射发射等。压敏电阻仅在浪涌上起关键作用，在其他电磁兼容方面起作用很小，甚至不起作用。而数字电路中有大量的集成电路和时钟电路，它们都是易受电快速脉冲群干扰的器件，同时也是产生传导干扰及辐射发射的主要来源，滤波器正是防护电快速脉冲群、传导发射及辐射发射的重要器件[2]，它在防浪涌中也起一定作用，经压敏电阻后的残压浪涌进行再次衰减，减小对后级数字电路的冲击。

滤波器在其他电磁兼容方面工作原理不再分析，这里主要分析它的防浪涌原理。

图2是所选择的滤波器的电路原理图，图中C1、C2、C3、C6是差模电容，C4、C5、C7、C8是共模电容，L1、L2是差模电感，L3、L4是共模电感。

纵向：以P对地的纵向分析为例，P对地有共模干扰时，滤波器里的L1、L3的上半线圈及C4构成I级防护，因为L3是共模电感，对共模干扰信号呈现高阻，对共模干扰信号进行一次衰减；同理，L4上半线圈和C7构成Ⅱ级防护，共模电感L4对共模干扰信号进行二次衰减。

横向：P对N有差模干扰时，滤波器里的L1、C2、L2构成I级防护，因为L1、L2是差模电感，对差模干扰呈现高阻，对差模干扰信号进行一次衰减；虽然L3是共模电感，但其存在一定漏感，所以L3和C3构成II级防护，L3的漏感对差模干扰信号呈现一定阻抗而对差模干扰信号二次衰减；同理，L4和C6构成III级防护, L4的漏感对差模干扰信号三次衰减。