隔離電源在高鐵門控系統(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)用在高鐵門控系統(tǒng)的電源產(chǎn)品其電磁兼容需滿足EN 50121-3-2認(rèn)證要求，同時浪涌需通過差模(線--線)1KV/共模(線--地)2KV。某高鐵門控系統(tǒng)，為增強(qiáng)設(shè)備抗干擾能力，減少失效風(fēng)險，采用隔離電源供電。但在認(rèn)證測試時進(jìn)行浪涌試驗，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的差模浪涌可以滿足要求，但進(jìn)行共模浪涌試驗時，整個設(shè)備拉弧現(xiàn)象嚴(yán)重，并且導(dǎo)致多處IC損壞。為此，下面對設(shè)備的設(shè)計電路進(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，一般來說共模浪涌試驗不應(yīng)該出現(xiàn)拉弧問題。因此我們需要對客戶整個設(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，前端使用金升陽鐵路電源專用濾波器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，同時與之并聯(lián)的電源URB1D15YMD-6W用于給電機(jī)驅(qū)動控制板供電，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通過兩個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，但對浪涌來說卻是問題所在。

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試驗時，即相當(dāng)于兩個隔離電源原副邊的Y電容串聯(lián)進(jìn)行分壓。如對L-PE進(jìn)行2KV 共模浪涌試驗，如果兩個電容相等， 則各自分壓1KV，即圖2中的-、-兩點之間存在1KV的壓差。此時在系統(tǒng)布線時，如果兩點之間的間距不能滿足1KV隔離距離時，進(jìn)行共模浪涌試驗時，就會出現(xiàn)隔離輸入與隔離輸出之間拉弧問題。

二、試驗驗證：

分析完電路結(jié)構(gòu)并確定信號輸出與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間距不滿足耐壓要求導(dǎo)致的打火拉弧現(xiàn)象?此處有兩個方法：

其一，通過PCB布局找出圖2中兩個隔離電源隔離輸入與隔離輸出之間的走線間距(一般打火拉弧處)，尋找最小間距處并將此處斷開。如果斷開之后發(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間距不能滿足耐壓要求導(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，即不會出現(xiàn)打火拉弧現(xiàn)象。

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

三、整改過程：

通過分析確定是隔離電源輸入與輸出之間走線間距不足，共模浪涌導(dǎo)致兩端高壓差問題。為此將打火處的走線斷開，此處便不會再出現(xiàn)打火。同時如果其他地方有同樣的問題，在斷開前面的打火處后，則共模路徑為轉(zhuǎn)移到下一個間距不夠的地方，因此需要將這些隔離間距都斷開，并滿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，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)行驗證：其一，將打火處的間距斷開或增長;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)計時，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，如果整個系統(tǒng)有共模浪涌要求時，此時在布局隔離輸入與隔離輸出時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)系斷開并保證其他信號與機(jī)殼的間距;其三，在電源輸入線與PE之間增加壓敏電阻進(jìn)行共模電壓抑制，但此時應(yīng)關(guān)注輸入與PE的工頻耐壓要求。