基于数字功放的轨道电路发送器设计

孙国营

(1.北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2.北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心，北京 100070)

1 概述

作为铁路信号基础装备，轨道电路系统的基本功能是区段空闲占用检查，特殊体制的轨道电路系统还可以作为传输通道向车载设备发送控车命令、完成钢轨电气断离检查。如图1所示，轨道电路系统完成上述功能时，需要利用发送器向钢轨发送特殊信号，如ZPW-2000系列发送器向钢轨发送FSK调制信号，在轨道电路接收端检查FSK信号的特征，据此进行空闲占用检查、断轨检查。

图1 轨道电路系统组成Fig.1 Composition of track circuit system

由上述分析可知，发送器在轨道电路系统中有举足轻重的作用。为满足传输距离的要求，在轨道电路系统中对发送器输出信号的功率具有较高要求，例如ZPW-2000A发送器的输出功率达到105 W以上。因此，在发送器末级需要采用功率放大器进行功率放大。传统上轨道电路发送器采用乙类功率放大技术，理论效率为78%左右，实际电路受元器件非理想化的影响，效率仅为50%左右，发热量大，需要较大面积的散热片。

此外，为了满足不同传输条件的需求，发送器输出电压需要是现场可配置的。一般做法是采用可变匝比的变压器实现，该配置过程需要人工手动调整配线，导致现场开通调试工作量大，临时应急调整时操作繁琐。

数字功放中的放大元件处于开关工作状态，无信号输入时放大器处于截止状态，不耗电；工作时，靠输入信号让晶体管进入饱和状态，晶体管相当于一个接通的开关，把电源与负载直接接通。理想晶体管没有饱和压降而不耗电，在理想情况下，数字功放的效率可达100%。实际上晶体管总会有很小的饱和压降而消耗部分电能，但这种耗电只与管子的特性有关，与信号大小无关，所以特别适用于超大功率的场合。

如图2所示，数字功放的第一部分为调制器，最简单的只需用运放构成比较器即可完成。将输入信号与三角波相比较，其输出的波形就是一个脉冲宽度被输入信号幅度调制后的波形，称为脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）或脉冲持续时间调制（Pulse Duration Modulation，PDM）波形。

第二部分是H桥电路，实现一个脉冲控制的大电流开关放大器，把比较器输出的PWM信号变成高电压、大电流的大功率PWM信号。

图2 数字功放的原理框图Fig.2 Schematic diagram of digital power amplifier

第三部分需把大功率PWM波形中的调制信息还原出来，用一个LC低通滤波器实现此功能。各节点上的信号波形如图3所示。

图3 数字功放关键节点上的信号波形Fig.3 Waveform of key nodes of digital power amplifier

2 基于数字功放的发送器设计

2.1 总体架构

基于数字功放的轨道电路发送器总体架构设计如图4所示。

图4 基于数字功放的发送器架构Fig.4 Transmitter architecture based on digital power amplifier

双CPU构成取2安全架构，可编程逻辑器件FPGA在CPU的控制下工作，生成数字FSK信号并完成图2中调制器的功能。

采用集成芯片形式的数字功放完成功率放大，该芯片集成有H桥及其驱动电路。

采用LC形式的滤波器完成低通滤波。

采用变压器实现发送器与外部设备的隔离。该变压器中的一个抽头用于输出回检信号。通过2套回检调理电路，将功放输出信号转换为CPU能够直接识别的信号量。

双CPU对回检信号的特征进行检查，若与预期特征不符，则通过控制安全与门切断PWM方波信号以及DC/DC电源中的开关信号，数字功放芯片因失去驱动信号及供电将停止输出，系统导向发送器的安全侧。

2.2 FPGA软件设计

图4所示系统架构中，FPGA承担两个重要功能：一是生成FSK信号，二是完成PWM调制。其软件架构设计如图5所示。

图5 FPGA软件架构Fig.5 Software architecture in FPGA

利用直接数字频率合成（Direct Digital Synthesizer，DDS）技术生成数字FSK信号，将FSK信号上下边频信息转换为两个相位增量控制字并按照低频周期进行切换。

为节省查找表对RAM资源的需求量，采取两方面的措施：一是降低相位量化精度，对相位累加结果进行截位处理；二是使用1/4查找表，通过运算获得整个周期的幅度值。

为降低因相位截取引起的信号杂散，截位之前在相位累加结果的基础上叠加一个m序列。

最后，通过比较器完成三角波与FSK信号的幅度比较，即完成PWM调制。

2.3 数字功放芯片选型

图4中数字功放芯片包含H桥及其驱动器。从原理上，H桥及其驱动器可以采用分立元器件进行搭建，但需要解决的问题很多。典型问题有同一桥臂上两个开关管打开、关闭动作的匹配性，若两个开关管打开、关闭动作不匹配，可导致电源瞬间短接到地，增加功耗或者损伤电源。为避免该问题，用分立元器件搭建时，一般采用增加死区时间的方法，但死区时间的存在会恶化输出信号杂散。

为克服分立元器件搭建电路时，功放性能提升有限的困局，本设计采用集成式数字功放芯片TAS5622A，芯片的高性能、高集成度保证了设计的质量，确保系统效率达到85%、杂散抑制达到40 dB以上，达到性价比最优化。

TAS5622A使用大型 MOSFET 提升功率转换效率，并采用新型栅极驱动方案，降低空闲状态下和输出信号较低时的损耗，从而减小散热器尺寸；该器件使用独特的预钳位输出信号来控制G类电源。这一优势与TAS5622A的低空闲损耗和高功率效率相结合，确保实现转换效率的最大化。

2.4 功出电压数控调整

本设计中的数字功放采用PWM调制，这是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法，通过调制方波的占空比来对一个具体模拟信号电平进行编码，即PWM方波的占空比含有模拟信号的电平信息。

如图5所示，FPGA软件进行PWM调制时，固定三角波的幅度，通过调整FSK信号的幅度，即可改变PWM信号的占空比，进而实现功放输出电压的调整。

这种方式实现功出电压的数控调整，避免了传统上通过调整变压器抽头实现变比调整进而实现功出电压调整的人工操作方式，为实现轨道电路设备的数字化、智能化奠定基础。

2.5 电磁兼容设计

数字功放采用PWM调制方式，功放管工作在开关状态，且PWM方波的电流大、幅度高，不可避免存在EMC问题，且主要体现为EMI问题。从辐射和传导两个方面采取以下措施予以解决：

1）采用双重屏蔽加接地技术。数字功放模块及为其供电的DC/DC电源均采用金属屏蔽壳封装，发送器整机采用金属网罩并接地，通过这种双层屏蔽方式，保证系统辐射发射性能满足要求；

2）在供电口以及功放输出口根据实测数据有针对性地使用EMI滤波电路，消除传导发射及部分辐射发射；

3）采用集成式数字功放核心电路，并采用合理的布局布线，是保证EMC性能的关键，该方案的EMC性能远优于采用分立元件搭建的H桥电路及驱动电路。

2.6 安全性设计

发送器是轨道电路系统中的关键部件，其输出信号的频率特性和幅度承担着安全功能，必须符合故障导向安全的设计原则，其安全侧为停止输出信号。

图4所示基于数字功放的发送器采用反应型故障安全架构，双CPU通过独立的回检电路检查功放输出信号，当检测到输出信号的特征不满足安全要求时，通过切断动态方波的方式关闭安全与门输出，其中安全与门是固有故障-安全电路。

安全与门的输出用作数字信号传输通道上的供电电源，当安全与门关闭输出时，因失去供电，数字信号无法传输到后级，该供电电路如图6所示。

图6 采用安全与门供电的数字信号传输通道Fig.6 Digital signal transmission channel using Safety-And-Gate power supply

在图4所示发送器架构图中，上述数字信号传输通道应用在以下两个信号通道上：

1）FPGA输出的含有发送器输出信号信息的PWM信号；

2）DC/DC电源中的开关信号。

当安全与门停止输出时，含有发送器输出信号信息的PWM信号无法到达功放芯片，功放芯片没有驱动信号；DC/DC电源失去开关信号，此时电源无输出，功放芯片没有供电电源。通过这种双重“切断”方式，即使采用集成芯片，也能保证在检测到安全相关故障时，发送器能够导向安全侧。

3 结论

描述基于数字功放的轨道电路发送器，其功率转换效率可达85%，减少了发热量，同等输出功率条件下，散热片面积可减少50%；实现功出电压数控调整，改变了传统发送器需要人工修改配线实现电压调整的低效率方式。

通过合理的电磁兼容设计，确保系统的可用性；通过严格的故障-安全设计，确保系统的安全性；通过轨道电路系统功能测试及设备高温拷机测试，验证所设计的基于数字功放的轨道电路发送器具有可行性，达到工程应用条件。