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摘要：伴随铁路产品对可靠性要求的提高，具有冗余功能的产品已经越来越多地被各个机车制造厂商提到了技术要求中来，而电源作为网络控制产品如中央控制单元、远程输入输出单元的心脏，对整个网络控制系统的可靠运行起着举足轻重的作用。本文在充分调查和研究国内及国外的列车网络控制系统现状基础上，提出了一种具有冗余输出功能的列车电源板的整体设计方案，自主化设计开发，提高了列车网络控制系统供电的稳定性、可靠性和安全性，具有很高的市场价值。
关键词：网络控制系统;电源;冗余输出;可靠性
0 引言
列车网络控制系统通常应用于包括机车、地铁、轻轨、动车组等型号列车中，是列车的核心子系统。如果列车网络控制系统出现故障， 例如列车中央控制单元的电源模块故障，则无法对列车进行控制，司机无法实现对列车的控制，可能造成列车击破等事故。
近年来，轨道交通行业对列车控制的实时性、可靠性和冗余性的要求逐渐提高，因此确保列车控制系统各个功能模块的正常工作变的更加重要，电源模块的可靠性是各个模块正常工作的前提条件，对电源模块进行冗余设计是保证各个模块可靠性的关键。
1 冗余电源的介绍
冗余电源是指多个电源（N+1方式）同时给同一或多个设备供电，当其中1个电源出现故障时，其他电源可以不受其影响，不中断设备的正常运行。
传统的电源冗余方案一般是由两个或者两个以上的电源通过分别同二极管阳极相连接，并联输出到需要供电的电源总线上。如图1所示。实际工作过程中，可以让一套电源系统单独工作，也可以让多套电源系统同时工作。当其中的一套电源系统出现故障时，由于二极管的单向导通特性，所以，整个电源系统不会失效而影响电源总线的输出。
然而在列车设备中目前应用的电源系统中，一般后端设备所需要的电流都比较大，最大甚至可达到几十安培。考虑到二极管本身的功耗，为了避免二极管因温度过高而损坏，通常这些二极管上还需要安装大功率散热片。
虽然使用二极管的传统方案电路设计简单，成本较低，但也有很大的缺点：比如功耗大、热耗严重、需加装散热片、甚至占用很大体积。同时由于电路中通常为大电流，二极管大部分时间处于前向导通模式，因此因为压降导致的热功耗不可小觑。需要特别处理二极管的散热问题。
本方案中电源冗余方案由多个单组成，并且同时工作，其优点是1个电源故障时备份电源可以立即投入，输出电压波动很小，对整个列车网络控制系统不会产生影响。
本方案采用大功率的MOSFET管来代替传统电路中的二极管。MOSFET的导通内阻可以到几毫欧，大大降低了MOSFET因为压降而产生的热损耗。在列车网络控制系统子设备中，实现了效率更高的解决方案，而且由于无增加散热器，所以省了大量的电路板面积，利于电源的小型化设计，同时也减少了设备的热损耗。
2 冗余电源设计
具有冗余输出功能的电源板具有两套完全独立的保护、滤波电路，具有两个DC110V转DC5V电源模块（V110C5T75BG），正常情况下，两套电路同时工作，当任何一路电源输入故障或者电路故障时，另外一路电源可以立即切换到满载输出状态，确保输出的可靠性，完全符合设计需求。
主要设计特点如下：
本设计最新采用ISL6146CFUZ低电压O-Ring MOSFET电源控制芯片，该芯片支持1-18V低电压电源的控制，具有MOSFET短路保护、输出电平控制、高温报警等多种功能，电源冗余控制原理如图2所示。
该电路的工作原理是，两个电源控制芯片ISL6146CFUZ通过GATE引脚控制两对O-Ring MOSFET的导通和关断，使两路电源系统同时给背板设备电源总线供电，当其中一路电源系统输入电压不同时，输出电源系统电压可能高于某路输入电源系统的电压，这时候，ISL6146CFUZ芯片可以关断GATE引脚控制MOSFET关断以防止输出向输入倒灌电流。
本设计采用两套相互独立的保护、滤波电路，任何一路故障时，不影响电源板卡的输出功能。
本设计预留满足6U4TE宽度板卡安装的接插件，同时控制板卡上元器件高度在15mm以内，如果有小型化需求，可以直接更换对外接插件及散热器，形成標准6U4TE电源板，满足小空间安装需求。
本设计预留DC24V冗余输出电路，如果有DC24V输出要求，可在不必重新制板的情况下，完成DC5V和DC24V冗余输出功能。
3 结论
本文介绍了具有冗余输出功能的电源板卡设计与实现。本设计具有性能稳定，可靠性强等特点。相信随着整个列车网络控制系统进一步升级和硬件的发展，该电源冗余方案将会在轨道交通领域发挥更加重要的作用。
参考文献：
[1]刘天羽，沈任元，田玉冬.提高开关电源效率和节能电源的研究与设计[J].上海电机学院学报，2007（2）：93-97.
[2]王俊景.列车通信网络简介[J].城市轨道交通研究，2005：24-26.
[3]张泽宇.一种高可靠性、高密度的冗余电源设计及实现[J].工程科技Ⅱ辑·电力工业，2015，8.
关键词：网络控制系统;电源;冗余输出;可靠性
0 引言
列车网络控制系统通常应用于包括机车、地铁、轻轨、动车组等型号列车中，是列车的核心子系统。如果列车网络控制系统出现故障， 例如列车中央控制单元的电源模块故障，则无法对列车进行控制，司机无法实现对列车的控制，可能造成列车击破等事故。
近年来，轨道交通行业对列车控制的实时性、可靠性和冗余性的要求逐渐提高，因此确保列车控制系统各个功能模块的正常工作变的更加重要，电源模块的可靠性是各个模块正常工作的前提条件，对电源模块进行冗余设计是保证各个模块可靠性的关键。
1 冗余电源的介绍
冗余电源是指多个电源（N+1方式）同时给同一或多个设备供电，当其中1个电源出现故障时，其他电源可以不受其影响，不中断设备的正常运行。
传统的电源冗余方案一般是由两个或者两个以上的电源通过分别同二极管阳极相连接，并联输出到需要供电的电源总线上。如图1所示。实际工作过程中，可以让一套电源系统单独工作，也可以让多套电源系统同时工作。当其中的一套电源系统出现故障时，由于二极管的单向导通特性，所以，整个电源系统不会失效而影响电源总线的输出。
然而在列车设备中目前应用的电源系统中，一般后端设备所需要的电流都比较大，最大甚至可达到几十安培。考虑到二极管本身的功耗，为了避免二极管因温度过高而损坏，通常这些二极管上还需要安装大功率散热片。
虽然使用二极管的传统方案电路设计简单，成本较低，但也有很大的缺点：比如功耗大、热耗严重、需加装散热片、甚至占用很大体积。同时由于电路中通常为大电流，二极管大部分时间处于前向导通模式，因此因为压降导致的热功耗不可小觑。需要特别处理二极管的散热问题。
本方案中电源冗余方案由多个单组成，并且同时工作，其优点是1个电源故障时备份电源可以立即投入，输出电压波动很小，对整个列车网络控制系统不会产生影响。
本方案采用大功率的MOSFET管来代替传统电路中的二极管。MOSFET的导通内阻可以到几毫欧，大大降低了MOSFET因为压降而产生的热损耗。在列车网络控制系统子设备中，实现了效率更高的解决方案，而且由于无增加散热器，所以省了大量的电路板面积，利于电源的小型化设计，同时也减少了设备的热损耗。
2 冗余电源设计
具有冗余输出功能的电源板具有两套完全独立的保护、滤波电路，具有两个DC110V转DC5V电源模块（V110C5T75BG），正常情况下，两套电路同时工作，当任何一路电源输入故障或者电路故障时，另外一路电源可以立即切换到满载输出状态，确保输出的可靠性，完全符合设计需求。
主要设计特点如下：
本设计最新采用ISL6146CFUZ低电压O-Ring MOSFET电源控制芯片，该芯片支持1-18V低电压电源的控制，具有MOSFET短路保护、输出电平控制、高温报警等多种功能，电源冗余控制原理如图2所示。
该电路的工作原理是，两个电源控制芯片ISL6146CFUZ通过GATE引脚控制两对O-Ring MOSFET的导通和关断，使两路电源系统同时给背板设备电源总线供电，当其中一路电源系统输入电压不同时，输出电源系统电压可能高于某路输入电源系统的电压，这时候，ISL6146CFUZ芯片可以关断GATE引脚控制MOSFET关断以防止输出向输入倒灌电流。
本设计采用两套相互独立的保护、滤波电路，任何一路故障时，不影响电源板卡的输出功能。
本设计预留满足6U4TE宽度板卡安装的接插件，同时控制板卡上元器件高度在15mm以内，如果有小型化需求，可以直接更换对外接插件及散热器，形成標准6U4TE电源板，满足小空间安装需求。
本设计预留DC24V冗余输出电路，如果有DC24V输出要求，可在不必重新制板的情况下，完成DC5V和DC24V冗余输出功能。
3 结论
本文介绍了具有冗余输出功能的电源板卡设计与实现。本设计具有性能稳定，可靠性强等特点。相信随着整个列车网络控制系统进一步升级和硬件的发展，该电源冗余方案将会在轨道交通领域发挥更加重要的作用。
参考文献：
[1]刘天羽，沈任元，田玉冬.提高开关电源效率和节能电源的研究与设计[J].上海电机学院学报，2007（2）：93-97.
[2]王俊景.列车通信网络简介[J].城市轨道交通研究，2005：24-26.
[3]张泽宇.一种高可靠性、高密度的冗余电源设计及实现[J].工程科技Ⅱ辑·电力工业，2015，8.