隔離電源在高鐵門控系統應用中共模浪涌拉弧案例分析

    按照鐵路行業EN50155標準要求，應用在高鐵門控系統的電源產品其電磁兼容需滿足EN 50121-3-2認證要求，同時浪涌需通過差模（線--線）1KV/共模（線--地）2KV。某高鐵門控系統，為增強設備抗干擾能力，減少失效風險，采用隔離電源供電。但在認證測試時進行浪涌試驗，發現系統的差模浪涌可以滿足要求，但進行共模浪涌試驗時，整個設備拉弧現象嚴重，并且導致多處IC損壞。為此，下面對設備的設計電路進行分析和整改。

    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該出現拉弧問題。因此我們需要對客戶整個設備的電路結構進行分析。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，主控制板供電電源采用URF1D05QB-50W進行供電，同時與之并聯的電源URB1D15YMD-6W用于給電機驅動控制板供電，IB0505S-1W主要用于通信隔離芯片供電，大致結構如下。

圖1 高鐵門控設備主電路結構圖

    從圖中可以看出，SP485通訊模塊的EMC防護電路PE通過兩個電源的隔離后與電源輸入端EMC防護濾波器的PE匯接在一起。這種接法屬于正常應用，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，兩者電容為并聯關系。由于SP485的EMC防護電路PE與濾波器的PE存在連接關系，當進行共模浪涌L-PE或N-PE試驗時，即相當于兩個隔離電源原副邊的Y電容串聯進行分壓。如對L-PE進行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。此時在系統布線時，如果兩點之間的間距不能滿足1KV隔離距離時，進行共模浪涌試驗時，就會出現隔離輸入與隔離輸出之間拉弧問題。

    二、試驗驗證：

    分析完電路結構并確定信號輸出與PE有連接關系后，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致的打火拉弧現象？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。如果斷開之后發現不存在打火拉弧的現象，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，即不會出現打火拉弧現象。

    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致打火拉弧。

    四、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。

    五、總結：

    1.分析方法：如確定是上述提到的系統結構導致共模浪涌時，隔離輸入與隔離輸出隔離間距不夠導致打火的現象，可以采取兩種方法進行驗證：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：系統設計時，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的機殼地進行連接后，如果整個系統有共模浪涌要求時，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的輸出與機殼的PE連接關系斷開并保證其他信號與機殼的間距；其三，在電源輸入線與PE之間增加壓敏電阻進行共模電壓抑制，但此時應關注輸入與PE的工頻耐壓要求。<