张海渊，赵晓林，王瑞，刘磊
（1.中国铁路呼和浩特局集团有限公司呼和浩特电务段，内蒙古呼和浩特，010050；2.中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号研究所，北京，100081）
0 引言
应答器传输模块(Balise Transmission Module，BTM)作为列车运行控制系统中应答器传输系统的车载设备，处理与应答器间的上行链路和下行链路信号和报文，并与列控车载设备通信，是保障列车安全运行的重要设备。BTM及天线单元由车载蓄电池供电，BTM 输入电源应符合GB/T 25119-2010 相关要求，输入电压标称值一般为DC24V 或DC110V，通过电源模块转化为BTM 所需内部工作电压，保证BTM 主机正常工作。
现场运行过程中，会偶发BTM 主机异常断电导致现场故障，中断BTM 与列车自动防护系统ATP(Automatic Train Protection，ATP)间的通信，影响列车运行效率。而电源纹波是影响电源模块正常工作的重要因素，纹波过大甚至会烧毁设备元器件，采用正确的BTM 电源板测试方法可以帮助现场快速、高效的查找故障原因，及时提供解决方案，保证列车高效运营。
1 BTM 电源纹波
■1.1 电源纹波产生机理
BTM 主机电源单元工作原理如图1 所示，输入为稳定电压为DC24V 或DC110V，由车载外部电源提供，电源模块将输入电压转换为BTM 主机工作所需工作电压，首先经过保护电路，当经过电流过大时实现过载保护，然后通过滤波电路滤除从输入电源端引入的干扰信号，提高设备抗电源干扰能力，之后通过电源转换模块将输入电压转换为固定输出工作电压以保障其他模块正常工作。
图1 电源模块工作原理
电源的主要作用是为负载提供稳定的电能，电源的好坏对BTM 设备整体工作性能起着决定性作用。BTM 设备电源模块输出一个固定的直流电压供其他模块正常工作，直流电压是由输入的交流电压经过整流、滤波、稳压等处理过程后得到的，其中整流电路的功能是将交流电转化为脉动直流电，幅值并不固定，需要滤波电路利用储能电子元件对脉动直流电进行去干扰处理，将其转换成较平坦的直流电，但由于设计结构的不同，不同滤波电路的滤波性能会有差异，同时由于电能变换过程影响及相互之间电磁干扰的存在，无法滤除其中所有的交流成分，所以输出的直流电压中会包含一定的杂波信号，导致产生一定的纹波电压。
纹波是围绕在电源输出直流电压值上下波动的周期信号，但是这种信号的周期和振幅不是固定的，会随时间不断变化，不同电源设备由于性能上的差异产生的纹波波形也不一样。纹波的存在导致负载的稳定性降低，会影响电源的使用寿命。对于电子设备来说，电源产生的纹波电压可能会使负载设备产生共振，干扰设备正常工作，降低设备使用效率，同时还会影响模拟与数字信号之间的转换，无法进行正常的信号输出，若出现的纹波较大，会产生浪涌电压或电流，超出电源模块承受范围，严重的会烧毁设备，导致设备异常掉电。所以在现场出现BTM 设备异常重启问题时，需要排查电源纹波的问题。
纹波电压的值一般可以用有效值或峰值来表示，纹波系数可以客观地评价直流电源的滤波性能，纹波系数F可定义为纹波电压的有效值Vt与直流输出电压Vo的百分比，即:
纹波系数是评价电源稳定性能的一个重要指标，要得到纹波系数，需要首先测量纹波电压即可计算得到。
■1.2 滤波电路原理
纹波是无法完全抑制的，但是可以通过滤波法滤除一定的纹波，改善电源输出稳定性，而滤波电路的功能就是过滤电源输入的交流信号，输出稳定的直流电压。LC 滤波电路是常见的谐波补偿装置，即将电容和电感综合起来应用，在实际应用中可靠性、安全性更高。电容可以将干扰信号和波动进行旁路掉，其容抗会随着干扰信号频率的升高而降低，电感可以将干扰信号吸收，其感抗会随着干扰信号频率升高而增大，所以电感和电容按照不同的串并联方式使用，他们组成的整体装置的阻抗会随着信号频率的变化产生不一样的变化，实现过滤某些频率信号的功能，最终滤除干扰信号。
传统的LC 滤波电路通过非线性元件搭建而成，一般有以下几种拓扑结构，如图2 所示。图2(a)滤波电路使用L型滤波器，这种电路负载的阻抗比较高，但源阻抗较低；图2(b)滤波电路是倒L 型滤波法，这种电阻和电容组合电路的负载阻抗比较低，但源阻抗相对较高；图2(c)滤波电路是T 型滤波法，这种组合电路负载阻抗比较低，而且源阻抗也相对较低；图2(d)滤波电路是Π 型滤波法，这种电阻和电容组合电路的特点是负载阻抗比较高，而且源阻抗也相对较高。若滤波电路中的电容或电感元器件损坏，很容易造成滤波电路无法正常工作，从而无法滤除干扰信号，最终导致设备发生故障。
图2 滤波电路拓扑结构
■1.3 电源模块测试方法
当故障显示报告“应答器传输模块故障”时，说明BTM 设备与ATP 设备通信出现中断，电源模块故障造成BTM 设备重启会导致出现该问题此时需要检测BTM 电源模块，测试方法流程如图3 所示，首先检查线缆是否有松动，接扣除是否完好，然后拔出P3 插头，观察P3 插头插孔和J3 插座插针是否有松动、破损、裂痕等问题，若有问题则及时更换插头或紧固连接处，然后继续测试；若无线缆插头问题，则测量电源板输入电压值是否稳定，ATP 正常上电观察万用表或者示波器的读数，确认该电源模块24V 输入是否正常，如出现明显波动，超出阈值范围，则说明电源板发送故障需及时更换或进一步检测元器件；若电源板输出稳定无异常，则利用万用表或示波器测试控制组匣BTM 电源模块的+OUT 和-OUT 两端输出电压，观察万用表或者示波器的读数，确认该电源模块24V 输出是否正常，若有明显波动超出阈值范围，则更换ATP 控制组匣继续测试。最后恢复故障BTM 主机，ATP 设备上电，BTM 设备上电，多次重启并拷机测试，测试是否能复现现场故障问题。
图3 电源模块测试流程图
现场用示波器测量稳压电源电源纹波时可以采用电压信号测量法，即使用示波器测试电源设备输出端叠加在直流电压信号上的交流纹波电压信号。对于BTM 电源设备的测试可以直接用电压探头测量输出电压，将BTM 设备电源模块的输出端与示波器两个探头分别连接，首先调节示波器的显示时间间隔和位置捕获整个纹波波形，然后将捕获到的纹波进行放大，观察和测量纹波相关参数。如图4 所示，测试时示波器的两个探头分别与电源正负极输出端连接，测试电源输出的纹波电压。由于纹波电压的测试易受到周边环境噪声的干扰，尤其是对高频纹波的测试结果影响比较明显，为减少周边环境的电磁场对设备测试干扰，防止纹波电压测试结果受到影响，应使用专用示波器探头可有效较小干扰的影响，需要注意的是在测量时要保证探头接触可靠有效。
图4 纹波测量系统框图
2 现场测试验证
针对BTM 设备电源板故障问题，可在现场进行测试，测试系统框图如图5 所示。选择动车组两端为测试对象，保证测试环境条件一致，其中一端为故障端，按照上述方法测试两端车载BTM 设备的电源模块，将测试结果进行对比。
图5 现场测试系统框图
动车组01 端为正常端，00 端为故障端，首先针对动车组故障端BTM 主机设备进行外观检查，检查线缆连接，主要包括电源线缆、通信线缆、控制组匣内部线缆，未发现松动、破损或裂痕等现象；检查P3 线缆和P1 线缆接头插孔和插针，未发现塌陷和松脱现象。
在升弓条件下，01 正常端BTM 设备上电，作为对比测试，利用示波器观察BTM 设备电源模块输入电压值，如图6 所示，电源纹波持续时间只有3.67µs，时间极短，纹波系数为：35.3%，由于产生纹波时间极短，且纹波电压在电源正常工作范围内，BTM 设备能够正常工作。
图6 正常端 BTM 电源模块纹波电压
在升弓条件下，00 端故障端BTM 设备上电，利用示波器观察BTM 设备电源模块输入电压值，如图7 所示，与01 端电源板电压输入值对比分析可知，00 端BTM 设备电源板电压出现异常纹波，电压波动值较大，持续时间达到123.1µs，纹波系数为：55.8%，远高于01 正常端BTM 设备电源的纹波系数，因此推断BTM 电源板前端滤波器失效，导致滤波性能下降，输入到电源板电源模块的电压纹波较大，可能造成电源模块工作不正常，导致BTM设备异常掉电。
图7 故障端 BTM 电源模块纹波电压
在升弓条件下，将00 端BTM 设备更换为故障电源板后上电测试，利用示波器同时观察BTM 设备故障电源板输入电压和控制组匣电源模块输出电压，拷机90 分钟后，BTM 设备故障电源板输入电压和控制组匣电源模块输出电压突降至9.9V（BTM 正常能够容忍的输入电压为18V～36V)，BTM 设备掉电停止工作后立即重启，DMI 报“应答器接收模块故障”。后续多次（3 次）出现经过一段时间上电拷机后报“应答器接收模块故障”现象，下载ATP 数据、BTM 数据并分析确认在拷机过程中BTM 设备发生过异常掉电重启故障，故障现象一致，数据统计结果如表1 所示。
表1 纹波系数测试结果统计
根据BTM 设备电源板输入和输出电压测试以及长时间拷机测试，分析结果可知，故障端BTM 偶发纹波电压输出持续时间长，纹波电压较大，明显高于正常端电源设备的纹波系数值，判断问题原因是BTM 电源板前端滤波器失效，导致滤波电路性能下降，输入到电源模块的电压纹波较大，造成电源模块工作不正常，导致BTM 设备异常掉电重启。
3 总结
本论文针对BTM 设备电源单元现场电源纹波测试方法进行了阐述，并在现场测试中证明了测试方法的可行性。电源的电压波动较大存在BTM 设备断电重启的风险，同时会减少电源模块的使用寿命，为了预防和减少此类故障问题的发生，在生产阶段就应全面有效的测量和分析，确保出厂电源设备的可靠性和稳定性，才能保证现场设备安全、可靠的工作。同时维修人员在ATP 设备维修过程中，可适当增加应答器信息传输系统测试项目，例如设备拷机测试，提前掌握系统工作稳定状态，保证系统的正常运行。
论文提出的BTM 设备电源模块测试方法主要使用示波器进行测试，示波器操作有些繁琐，现场实际应用中会有一些不便，后续会考虑研制和采用更加便携式且易操作的测试设备进行测试，方便现场工作人员使用。
