尽管多年来列车的外部设计往往变化不大，但电气化以及新技术的应用却在持续推进。为了提高可靠性和安全性，越来越多的机械部件正被成本更低、故障率更低的电子设备所取代;监测系统使对各项功能的控制更加精准，与中央控制站的通信能力也在不断增强。

这种变化在司机驾驶室中尤为明显：显示器取代了传统的模拟仪表和指示灯，使用的开关和操纵杆数量也大幅减少。但即便是在乘客看不到的区域，整列列车中也部署了更多的计算机、GPS 系统、GSM 通信单元以及总线系统，用于处理大量控制信号。

图1

空间受限与成本降低

在电气化程度不断提升的背景下，可用空间成为一项主要挑战。列车的机械结构通常无法更改，而集成了更多功能、同时功率需求更高的设备，必须安装在原有系统预留的空间内。对电源系统而言，这意味着必须实现更高的功率密度和更高的效率。

为了不仅降低开发成本，同时减少电源方案的种类，制造商正在寻求统一的解决方案，使其能够轻松适配不同应用所需的电压和功率等级。

P-DUKE 推出的新一代 QBE 系列 DC-DC 转换器，采用行业标准的 Quarter-Brick 封装(57.9 × 36.8 mm，即 2.28 × 1.45 英寸)，使客户能够设计出更小型、更高功率的方案。通过仅更换模块并调整少量外围器件，即可实现针对不同应用的灵活扩展。

在一个实际案例中，某客户希望重新设计中央车门控制单元，以集成更多安全功能，其中包括基于 GPS 信息的 ASDO(自动选择性开门)功能。电源需求因此从 12 V / 35 W 提升至 12 V / 70 W。此外，客户还希望通过复用同一电源设计，来满足另一套车门驱动电路对 24 V / 95 W 的供电需求，从而节省开发成本。

原有系统采用的是一款 40 W 的电源模块，占板面积为 2 × 1 英寸，在 35 W 输出功率下效率为 86%。其产生的热量通过模块本体表面以及外接散热片扩散到系统中。

而新的 QBE75W 模块专为轨道交通等严苛环境应用而设计，采用了先进的电源技术，在 70 W 负载条件下效率可达 91%，损耗仅为 6.9 W。虽然输出功率翻了一倍，但损耗仅增加了约 20%，即 1.2 W。得益于改进后的热设计，大部分热量可通过底板直接传导至金属机箱，从而显著降低了对其他元器件的热应力。

QBE 系列提供多种输入电压版本，包括 24 V 标称(9 V–36 V)、48 V 标称(18 V–75 V)以及 110 V 标称(40 V–160 V)，覆盖了所有列车供电电压范围，包括电压跌落和瞬态情况。

图2

为什么不采用一个覆盖全部电压范围的模块?

具有 8:1 或 12:1 超宽输入电压范围的设计，很难在整个输入电压区间内都保持最佳效率。原因在于，所有器件既要在低输入电压下承受高电流，又要在高输入电压下承受高工作电压，这在效率和功率密度方面都存在明显折衷。

输入电流可通过以下公式计算：

下方图 3 显示了在 91% 效率、70 W 输出功率条件下，不同输入电压对应的输入电流。

图3

从中可以清楚看出，在追求最高功率密度和效率时，“一刀切”的设计并非理想选择。大多数铁路系统都是针对特定车型进行订购和配置的，其供电电压在应用中是固定不变的。这样一来，诸如 EMI 滤波器、保险丝和连接器等外围器件，都可以针对该车型进行优化，而 PCB 只需考虑高电流和不同器件选型的兼容性即可。

车门驱动应用示例

与当今几乎所有 CPU 板卡类似，车门控制单元所使用的控制板上已集成 VRM(电压调节模块)，用于从 12 V 母线生成微处理器所需的低电压电源。系统中用于存储器和接口的其他电压，则由低功率 DC-DC 转换器产生。由于接口需要较高的隔离等级，该方案选用了具备 3000 VDC 隔离能力的 P-Duke 电源模块。

图4

对于需要 24 V / 95 W 的电动门驱动系统，客户可以将原有产品中使用的 Half-Brick 模块，替换为 QBE100W 模块。在 Quarter-Brick 封装下，其体积缩小了约 40%，同时效率提升 4%，使功率损耗降低了约 33%。

图5

QBE 系列的输出电压范围覆盖 3.3 V 至 54 V，75 W 和 100 W 两个功率等级在电气特性、EMI 表现以及 PCB 布局方面完全一致。在该案例中，100 W 方案的设计仅用了几个小时，而不是过去需要的数周甚至数月。

无需进行大量测试或昂贵的认证流程。如果应用需要不同的输出电压，只需更换同系列的另一款模块，并调整少量外围器件，即可快速完成设计。