【摘要】电源的稳定性对设备的工作状况起着决定性作用，本文介绍了一种用于解决列车车载视频监控电源的设计原理。由于列车上运行环境十分的恶劣，设备为了正常工作电源必须满足苛刻的要求，因此采用汽车级的有较强抗干扰能力的电源芯片进行电源转换及管理。为车载视频监控仪稳定可靠的工作在恶劣的环境下，提供了切实可行的解决方法。

【关键词】列车电源；供电系统；车载视频监控

1.引言

由于列车的特殊环境关系，许多用电设备正是因为电源部分的原因无法在列车上正常工作，车载监控仪虽然有着宽电压输入但是由于输入电压低也无法工作。针对此种情形，必须用可靠的系统来完成电源的转换管理工作。本文提供的电源的系统主要用于列车车载视频监控，对于其它类似的产品设备也有一定的适用性。

国内列车都采用DC110v辅助供电系统(如图1所示)为列车上的设备供电，该供电系统同时用于对蓄电池进行充电。国内自行研制开发的电力机车和内燃机车的蓄电池是列车的辅助供电系统的主要组成部分，机车没有从电网取电前，采用蓄电池为机车辅助回路供电，完成各种辅助回路机构的动作，如控制和保护装置的运行[1]。由于供电系统的复杂性，列车上的用电设备多，电路复杂，所以对电设备对可靠性、稳定性要求比较高，因此设别的电源系统必须提供稳定、可靠的电压、电流。

2.设计原理

视频监控仪从列车辅助供电系统取电经过处理后给电源模块VI-JT1供电，该模块输出稳定的12V电源。12V电源分为两部分，一部分供给车载的摄像头，另外一部分供给主板。主板上的12V经过变压处理后得到可以的到5V电源，用于供给一部分芯片和经过变压处理后可以得到3.3V、1.8V、1.2V的电压后给主板上各个芯片进行供电(如图2所示)。

在电力机车上，供电品质比较差，表现在两个方面：电力机车供电电网电压波动大，气额定电压为单相交流25kv，而实际电压在18-31kv范围波动；电网电压有机车内变压器降至单相交流220V，相应的波动范围为160v-270v。220v的交流电经过降压整流处理后为110V直流电源，该直流电源的波动范围70v-160v。列车的供电并不是持续的，当列车由一个供电区域到另一供电区域之间，期间可能会有数秒种的中断供电。该期间的供电是由列车内的蓄电池进行供电，而蓄电池的的空载电压为104V(52只铅酸蓄电池)[3]。多数用电设备无法在这样的用电环境下工作。

本文介绍的系统包含两级对电源的稳压处理，经试验前一级可以稳住60V-160V的电压稳定的输出12V的电源，后一级的输入电压范围是8V-60V。

3.前级稳压

如图3所示为前一级稳压电路。核心部件为美国VICOR电源模块VI-JT1，该模块的主要功能是隔离输入与输出的电压，完成DC110V向12V的转换。为了保护电路的安全，瞬态电压抑制管D1用于吸收110V电网超过440V左右的50ms的瞬态高电压以保护后续电路的不受高压冲击。对于低于440V左右的电压后续电路必须进行处理以达到VI-JT1转化模块规定的电压。稳压管D2，D9会在电源电压低于440V高于175V的情况下被击穿，此时D2的两端电压为160V而D9的电压为15V，分压电阻R1和R2会承担剩余的的电压。由于PCB设计采用的是贴片电阻，对于R1以及R2的功耗要小于该封装的最大功耗以保证电路的正常工作。稳压管D9于电阻R3并联使用，根据欧姆定律可知经过R3的电流为15ma，功率场效晶体管Q2导通。稳压管D10的两端电压为160V，其余的电压分压到电阻R4上，进行限流以免烧毁稳压管与场效晶体管。由于稳压管D10的导通致使功率场效应管漏极与栅极产生电压差，从而使Q1导通。Q1的源极与栅极有一定的压差，高速开关二极管D5、D4导通，对电容C1、CE1及CE2进行充电，同时对VI-JT1模块供电。如果电压低于175V不足以让Q1导通时，CE1、CE2的电压为两端电压为400V，可让D5、D4、D10导通，此时Q1可以导通对模块开始进行供电。电容C1控制模块的输出端。由于采用了自举升压电路，导致模块的前级电路出现高频电源信号，滤波电容C2、C3、C4、C5用于滤掉此过程中的高频杂散波。经过一系列的处理后电源模块输出的12V可经过电解电容CE3、CE4滤波、退耦后供给用电设备。

视频频监控的摄像头需要在夜间工作，因此必须有足够的功率保证红外灯正常工作，尤其是在列车上需要高功率的满足其可视距离的要求。视频监控器的主板理论上至少需要10W的功率来保证正常的工作需要。由于模块可提供90W的功率，完全可满足日常的用电设备。

4.后级稳压

接入主板的电源给车载视频监控的整个系统进行供电，该电源经过图4所示的电路再次进行降压稳压。该电路的降压主要是由款分为同步降压控制器LM5116完成，可以输入的电压为7-100V，本电路设计输入为7-60V以适应恶劣换的电源环境。本系统设计了两路降压稳压电路，一路输出电压为5V，另外一路的输出电压为12V。

4.1 5V、12V输出电路

以输出电压为5V为例，该降压电路最大负载电流为2A，开关频率为250kHz。其中定时电阻RT用于设置振荡器的开关频率，该设计中采用250kHz的开关频率同时满足了小体积以及高效能。

输出电感的计算是通过开关频率(fsw)、脉冲电流(Ipp)、最入电压(VIN(MAX))以及输出电压值得到的：

电流大小的限制是通过设置电流检测电阻(Rs)，。对于5V的输出，其最大的电流检测电阻是在最小的电压输入测得的。

所以：

对于该电路中的斜波电容的计算是依赖于电感和检测电阻的值，其仿真的斜波电容值是：

其中L的值是输出电感，gm斜波发生因子，A是电流电流检测放大增益。纹波电流是电流中的高次谐波成分，会带来电流或电压幅值的变化，可能导致击穿，由于是交流成分，会在电容上发生耗散，如果电流的纹波成分过大，超过了电容的最大容许纹波电流，会导致电容烧毁。输出电容可以是电感纹波电流变的平滑同时也可以提供一个瞬态的工作电源。对于本设计选用了5个100的陶瓷电容陶瓷电容可提供等效串联电阻，但是明显的减少了DC的偏置电容。等效串联电阻在250kHz时是2/5=0.4，在5V的时候可以减少36%的电容。输出纹波电压的计算如下：

该稳压电源有一个很大的源阻抗在较高的开关频率，当VIN引脚提供了大部分开关电流时，高质量的输入电容可以限制在VIN引脚上纹波电压。当模块开始工作，流入降压模块的电流转化为电感电流波形的波谷，然后迅速的上升到波峰后，然后下降到零。输入电容应该的选择必须满足有效的电流和最小纹波电压。

最好的逼近所需要的纹波电流的额定功率是IRMS>IOUT/2。选用高质量低等效串联电阻的陶瓷电容进行对输入电压进行滤波。输入纹波电压的接近于：

各项参数的设置即可以影响到输出电压，以上参数的选择可为后续电路提供稳定的5V电压。对于输出电压为12V的电路采取了类似于本级电路，只是在元器件的参数上有所区别。该12V也可以独立给模拟摄像头独立供电也可以并联与上一级12V电路同时给摄像头供电。

4.2 3.3、1.8、1.2输出电路

经过以上步骤的整流稳压后系统给新华龙的C8051单片机进行供电，以对整个系统电源进行管理。C8051从供电一直处于运行状态，将完成接收遥控器的指示进行开机、关机，对Hi3512主控芯片进行复位等功能。C8051控制的电源使能端口高电平有效，后续的整流降压

芯片开始工作。本是设计采用的同步整流降压稳压芯片MP1482，集成输入电压定从4.75v到18v下降到了输出电压低至0.923v供应高达2A的负载电流，最高有93%的转换效率。其中3.3V的降压电路如图5所示。MP1482的反馈电压跟参考电压比较好得到COMP端电压，COMP端电压决定了上管分支电流以及占空比，而占空比控制输入电压变化，从而达到负反馈控制目的。输入电压的设置是通过在电压输出端到FB引脚间加一个分压电阻。电压分频器的输出电压降至反馈电压的比例是：

，其中是反馈电压是输出电压。所以输出电压为。在输入电源是开关电源的情况下，电流的恒定输出是依赖于电感的使用。使用较大的电感可以使纹波电流变小，同时也将获得较低的输出纹波电流，但却有着更大的等效串联电阻更低的饱和电流。因此电感的值是：

其中是开关频率，是电感峰值纹波电流。该3.3V为主控芯片以及4路模拟转换芯片TW2835等提供电压，以供主板正常工作。本设计中的整流压至1.8V的电路同样用MP1482进行降压，只是根据实际需要进行参数调整即可稳定的输出1.8V的电压，该电压是为Hi3512芯片以及TW2835芯片提供1.8V的核心电压。

由于Hi3512芯片正常工作同时需要3.3V、1.8V、1.2V的电源，因此本设计为了满足供电要求(如图4、图5所示)，采用了MP2104芯片稳压。该芯片是1.7MHz固定频率PWM降压稳压器，有95%的最高转换效率，2.5V到6V的宽电压输入，最低输出电压为0.6V。输入电压的值可根据外部电阻分压器来设定。反馈电阻R271以及内部补偿电容用来决定了反馈环路带宽。输出电压。对于大多数设计电感的计算是通过以下公式计算：

其中：是电感纹波电流，设计的电感纹波电流接近最大负载电流的30%。所以电感的最大峰值电流是：

本设计提供的电源系统经过实际的实验、测试与应用均满足各项要求，可以稳定的输入5V、3.3V、1.8V、1.2V的电压，保证列车车载视频监控的正常运行

5.总结

本文提供了一种切实可行的降压整流方案。该方案适用不仅适用列车上极其复杂恶劣的环境，也同样满足于各种载运车辆上对电压严格需求，有着宽范围的输入电压，稳定高负载的输出电压。第二级的整流稳压电路可单独使用，同样可满足车辆上的宽电压输入要求。尽管各种车辆的输入电压有12V与24V两个模式，以及在起车辆起步阶段电压可能低至7V左右，在充电时电压会出现不稳定情况，本设计均可以满足，为车载的嵌入式设备提供一个稳定可靠的电源环境。

参考文献

[1]白锡杉,张全柱,王磊,史雪明.机车蓄电池组充电路结构的研究[J].应用天地,2007(9).

[2]刘亚龙,高玉峰,王志国.基于PFC的电力机车110V直流电源的设计[J].电气应用,2008(11).

[3]李国平.国内外高速列车辅助供电系统[J].机车电传动,2003(5).

[4]吴强.客运列车供电系统[J].机车电传动,2003(5).

[5]李伟,王小波,翟伟峰.一种车载开关电源的设计[J].电源技术应用,2008(4).

[6]陶若冰,王易平.电力机车辅助电源系统的分析与比较[J].电子设计工程,2009(8).