隔離電源在高鐵門(mén)控系統(tǒng)應(yīng)用中共模浪涌拉弧案例分析

按照鐵路行業(yè)EN50155標(biāo)準(zhǔn)要求，應(yīng)用在高鐵門(mén)控系統(tǒng)的電源產(chǎn)品其電磁兼容需滿(mǎn)足EN 50121-3-2認(rèn)證要求，同時(shí)浪涌需通過(guò)差模（線(xiàn)--線(xiàn)）1KV/共模（線(xiàn)--地）2KV。某高鐵門(mén)控系統(tǒng)，為增強(qiáng)設(shè)備抗干擾能力，減少失效風(fēng)險(xiǎn)，采用隔離電源供電。但在認(rèn)證測(cè)試時(shí)進(jìn)行浪涌試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的差模浪涌可以滿(mǎn)足要求，但進(jìn)行共模浪涌試驗(yàn)時(shí)，整個(gè)設(shè)備拉弧現(xiàn)象嚴(yán)重，并且導(dǎo)致多處IC損壞。為此，下面對(duì)設(shè)備的設(shè)計(jì)電路進(jìn)行分析和整改。

一、原因分析：

首先,本案例中使用了隔離電源，一般來(lái)說(shuō)共模浪涌試驗(yàn)不應(yīng)該出現(xiàn)拉弧問(wèn)題。因此我們需要對(duì)客戶(hù)整個(gè)設(shè)備的電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。圖1為電源部分原理框圖，前端使用金升陽(yáng)鐵路電源專(zhuān)用濾波器FC-CX3D 用于EMC防護(hù)，主控制板供電電源采用URF1D05QB-50W進(jìn)行供電，同時(shí)與之并聯(lián)的電源URB1D15YMD-6W用于給電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制板供電，IB0505S-1W主要用于通信隔離芯片供電，大致結(jié)構(gòu)如下。

圖1 高鐵門(mén)控設(shè)備主電路結(jié)構(gòu)圖

從圖中可以看出，SP485通訊模塊的EMC防護(hù)電路PE通過(guò)兩個(gè)電源的隔離后與電源輸入端EMC防護(hù)濾波器的PE匯接在一起。這種接法屬于正常應(yīng)用，但對(duì)浪涌來(lái)說(shuō)卻是問(wèn)題所在。

圖2 浪涌失效分析

按照上述接法，從圖2中可以知道，CY為隔離電源原副邊的Y電容，Cj為隔離電源原副邊等效的分布電容，兩者電容為并聯(lián)關(guān)系。由于SP485的EMC防護(hù)電路PE與濾波器的PE存在連接關(guān)系，當(dāng)進(jìn)行共模浪涌L-PE或N-PE試驗(yàn)時(shí)，即相當(dāng)于兩個(gè)隔離電源原副邊的Y電容串聯(lián)進(jìn)行分壓。如對(duì)L-PE進(jìn)行2KV共模浪涌試驗(yàn)，如果兩個(gè)電容相等， 則各自分壓1KV，即圖2中的①②兩點(diǎn)之間或者②③兩點(diǎn)之間存在1KV的壓差。此時(shí)在系統(tǒng)布線(xiàn)時(shí)，如果兩點(diǎn)之間的間距不能滿(mǎn)足1KV隔離距離時(shí)，進(jìn)行共模浪涌試驗(yàn)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)隔離輸入與隔離輸出之間拉弧問(wèn)題。

二、試驗(yàn)驗(yàn)證：

分析完電路結(jié)構(gòu)并確定信號(hào)輸出與PE有連接關(guān)系后，如何確定是隔離輸入與隔離輸出之間的走線(xiàn)間距不滿(mǎn)足耐壓要求導(dǎo)致的打火拉弧現(xiàn)象？此處有兩個(gè)方法：

其一，通過(guò)PCB布局找出圖2中兩個(gè)隔離電源隔離輸入與隔離輸出之間的走線(xiàn)間距（一般打火拉弧處），尋找最小間距處并將此處斷開(kāi)。如果斷開(kāi)之后發(fā)現(xiàn)不存在打火拉弧的現(xiàn)象，基本可以確定是隔離輸入與隔離輸出之間的走線(xiàn)間距不能滿(mǎn)足耐壓要求導(dǎo)致的。

其二，可以將隔離電源的輸入地與輸出地連接在一起變成非隔離，由于都是等電位，即不會(huì)出現(xiàn)打火拉弧現(xiàn)象。

通過(guò)以上兩種方法，均可以確定是否是由于隔離電源輸入與輸出之間的走線(xiàn)間距問(wèn)題導(dǎo)致打火拉弧。

三、整改過(guò)程：

通過(guò)分析確定是隔離電源輸入與輸出之間走線(xiàn)間距不足，共模浪涌導(dǎo)致兩端高壓差問(wèn)題。為此將打火處的走線(xiàn)斷開(kāi)，此處便不會(huì)再出現(xiàn)打火。同時(shí)如果其他地方有同樣的問(wèn)題，在斷開(kāi)前面的打火處后，則共模路徑為轉(zhuǎn)移到下一個(gè)間距不夠的地方，因此需要將這些隔離間距都斷開(kāi)，并滿(mǎn)足共模電壓間距要求。

四、總結(jié)：

1.分析方法：如確定是上述提到的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致共模浪涌時(shí)，隔離輸入與隔離輸出隔離間距不夠?qū)е麓蚧鸬默F(xiàn)象，可以采取兩種方法進(jìn)行驗(yàn)證：其一，將打火處的間距斷開(kāi)或增長(zhǎng)；其二，將隔離變成非隔離，形成等電位。

2.電源布局：系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，如果使用隔離電源或隔離IC，且隔離電源的輸出或隔離IC的輸出通過(guò)直接或間接方式與系統(tǒng)的機(jī)殼地進(jìn)行連接后，如果整個(gè)系統(tǒng)有共模浪涌要求時(shí)，此時(shí)在布局隔離輸入與隔離輸出時(shí)要注意原副邊共模電壓的耐受間距，做如下距離推薦：1KV--2mm；2KV--3mm；4KV--4mm及以上。

3.解決方法：其一，增大隔離輸入與隔離輸出的間距，以滿(mǎn)足共模電壓要求；其二，將隔離電源或隔離IC的輸出與機(jī)殼的PE連接關(guān)系斷開(kāi)并保證其他信號(hào)與機(jī)殼的間距；其三，在電源輸入線(xiàn)與PE之間增加壓敏電阻進(jìn)行共模電壓抑制，但此時(shí)應(yīng)關(guān)注輸入與PE的工頻耐壓要求。