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飞驰之“芯” ——TI芯科技赋能中国新基建之城际轨道交通

2022-03-03
来源:TI

短短十几年间,中国铁路实现了从步入到引领世界高铁发展,已成为当代的“经济大动脉”。从2008年基建狂飙期的“四横四纵”到2017年的“十横十纵”,高铁将中国经济送上了快车道,如今当产业结构的调整使发展城市群和城市圈成为国家战略时,“经济毛细血管”的城际高铁、城际轨道交通理所当然被纳入了新基建的范畴。

城际间的列车和高铁相比,只是外形稍有不同。但由于城际间交通变得更加公交化,运营频次更高、上下站点更多,这意味着要实现更多的重联重组,对安全性有着更高要求,而且要确保列车通信网的准确高效。另一方面,由于高铁的速度已经基本满足需求,人们更关注乘坐的舒适性、娱乐性,无线充电、按摩椅甚至投影等技术都会用到列车中。这些新的发展方向需要新技术的支持,大数据分析、人工智能、无线传感器、以太网等将越来越多导入到轨道交通设施中。

从1879年第一台电力机车诞生起,电力电子即登场,最初主要是帮助实现列车更快的运行速度和更大的装载能力。之后轨道交通的一系列创新都离不开芯片,如今无论是轨道感应和监控、辅助电源、电力推进、信息系统、控制管理以及轨道旁信令和控制等应用中,芯片都发挥着重要作用。根据德州仪器(TI)区域销售经理Leo Chen的预估,一列完整的高铁中,包含的芯片数量会高达二十万颗,其中仅TI的芯片使用量就要达数万颗。

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德州仪器(TI)区域销售经理Leo Chen


自主化之路上的挑战

2008年中国初入高铁圈时,走的是和很多领域相同的贸工技之路,进口国外的设备在国内组装生产。十年后,具有完全自主知识产权的“复兴号”完全采用自主标准设计,90%以上基础零部件已经实现完全国产化。高铁未来的发展绕不开两大难点(同时也是重点)——复杂性及可靠性。

我国幅员辽阔,一辆列车既要在冰雪之地的东北安全运行,又要在潮湿的南方运行,既要满足西藏的高海拔,同时也要满足新疆的干热气候,如此复杂的应用环境使得系统设计更为复杂。而极端的气候和地理差异,需要芯片厂家能够提供通用性更强,同时耐温范围以及可靠性更强的产品。

国际上并没有类似的应用环境,而且由于行业窄导致玩家很少,需要设计者自己基于需求不断升级迭代。这意味着我国高铁研发已经进入了“无人区”,之前没人做过,之后也没人知道该怎么去做。要穿越高科技的无人区,需要有芯片领域的合作伙伴共同前行,只不过与其他行业相比对合作伙伴的要求更高,需要芯片及方案供应商有很好的系统know-how,能够提供完整的系统、完善的技术支持。同时,由于长生命周期,需要产品具有一致性及持续稳定的供货能力,而且还要满足未来8至10年的要求。

所幸自主化之路上并不只有孤独寂寞冷,20世纪90年代中期,我国第一版国产化的电力机车驱动电路板,就采用了TI的C2000™控制器。上世纪80年代量产的C2000处理器,今天还在服务中国的轨道交通事业,TI始终如一,陪伴中国客户一起解决设计中的困难和挑战。

简单的追求

千差万别的应用场景和不同的应用需求造就的设计复杂性,需要供应商提供灵活的解决方案。以数字电源为例,高铁中的用电设备种类非常丰富,不同种类的负载对于电源方案的要求也是不同的。TI的C2000数字电源产品,可以支持任意的控制模式及环路拓扑设计,支持不同的开关频率,这样客户就可以用一个平台覆盖到多样性的复杂电路的设计。

同时,C2000还具有实时处理特性以及完整的电源监控和保护功能,下一代C2000还满足SIL-D的功能安全特性,从而简化复杂的安全设计流程要求。TI的处理器中集成了高性能的Arm®核与DSP,可以单芯片满足复杂的运算及控制需求。同时还支持多协议通信接口,以实现高度可靠的互联。

最安心的保障

众所周知,铁路系统的使用生命周期长达数十年之久,因此各个环节对可靠性都要求很高。就电力系统而言,列车中的动力电压很高,从受电弓获得的直流电压约为1500伏,而后还包括交流380伏、直流110伏等等一系列不同电压。因此为了避免芯片被击穿烧毁,以及保证信号传输的高可靠性,采用高性能隔离技术势在必行。

TI基于二氧化硅的电容隔离技术,具有三大特点:首先是具有高达2100V的隔离电压;其次是隔离层寿命长达一百年,满足功能安全的时效要求;第三则是具有极低的电磁辐射。这三个特点使其非常适合轨道交通行业。

而在处理器方面,针对铁路轨交对于备份冗余的需求,TI的双核及多核处理器可以提供锁步或者冗余功能,从而达到可靠性要求。

在功能安全方面,所有 TI 产品在发布之前都要接受资质认证和可靠性测试或基于相似性证明的鉴定,从而保证产品具有高可靠性。TI的模拟和嵌入式处理产品满足严格的功能安全标准要求(如 ISO 26262 和 IEC 61508)。并使用 TÜV SÜD 认证的功能安全硬件和软件开发流程来开发并生产产品。TI 有大量的HiRel和车规级的产品,都可以满足功能安全的要求。   

一辆全新的高铁从设计到测试再到正式量产载客,需要经历一个漫长的过程,这其中还要进行长达60万公里的测试,以确保产品的安全可靠。TI始终为客户提供高可靠、稳定且超长的供货周期以及不停产的承诺支持,并且可以提供涵盖从处理器到模拟,从电源到传感器,从隔离保护到无线的丰富产品组合及系统解决方案。

高铁自主之路的同行者

除了复杂性和可靠性这两个设计痛点之外,设计过程中另一个头痛的则是对方案更新迭代的制约。各种原因造成高铁的系统设计一旦定板,就几乎没有修改的可能,因此需要开发团队具有长远的思考。作为供应商,TI给出的解决方案是从产品定义开始就和客户紧密合作,共同推进系统开发。

早在2008年TI就与南车株洲研究所(如今的中车株洲电力机车研究所)建立了联合实验室,双方一起探讨未来的场景、技术需要如何发展。2021年4月,联合实验室升级,株洲所的设计师可以借助TI品类齐全的模拟和嵌入式处理系列产品进行设计,包括实时数字信号处理器、氮化镓(GaN)电源集成电路、行业领先的数据转换器以及其他高可靠性产品。该实验室可以支撑中车株洲做一些前沿性的设计和研究,同时TI也会投入资源为其专门定义和开发产品。

联合实验室升级的背后,体现出我国高铁自主技术的进步,也体现出TI进入中国30多年来,对于中国铁路发展历史的见证。从当初的进口组装到“复兴号”的推出,如今中国引领了全球的轨道交通市场,高铁也成为国家名片。在这个从跟随到学习、再到超越的过程中, TI高度本地化的团队一直陪在这条引进、消化、吸收、再创新的路上。

未来除了现在的高铁、地铁、城际之外,也许磁悬浮列车、无轨列车等都会应用到日常的城市内的交通出行上,而且智能交通系统中需要智能化、数据化以互联化。TI正在与中车基于联合实验室进行更深层次的交流和互动,更深入地理解系统,共同探索也是为了能提供更多支持。Leo说道,希望看到通过TI和中车的合作,有更多的中国列车伴随着“一带一路”的发展飞驰在世界各个角落,这也是一名TIer“芯向中国,科创世界”的初心。

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