短短十幾年間，中國鐵路實現了從步入到引領世界高鐵發展，已成為當代的“經濟大動脈”。從 2008 年基建狂飆期的“四橫四縱”到 2017 年的“十橫十縱”，高鐵將中國經濟送上了快車道，如今當產業結構的調整使發展城市群和城市圈成為國家戰略時，“經濟毛細血管”的城際高鐵、城際軌道交通理所當然被納入了新基建的范疇。

城際間的列車和高鐵相比，只是外形稍有不同。但由于城際間交通變得更加公交化，運營頻次更高、上下站點更多，這意味著要實現更多的重聯重組，對安全性有著更高要求，而且要確保列車通信網的準確高效。另一方面，由于高鐵的速度已經基本滿足需求，人們更關注乘坐的舒適性、娛樂性，無線充電、按摩椅甚至投影等技術都會用到列車中。這些新的發展方向需要新技術的支持，大數據分析、人工智能、無線傳感器、以太網等將越來越多導入到軌道交通設施中。

從 1879 年第一臺電力機車誕生起，電力電子即登場，最初主要是幫助實現列車更快的運行速度和更大的裝載能力。之后軌道交通的一系列創新都離不開芯片，如今無論是軌道感應和監控、輔助電源、電力推進、信息系統、控制管理以及軌道旁信令和控制等應用中，芯片都發揮著重要作用。根據德州儀器 (TI) 區域銷售經理 Leo Chen 的預估，一列完整的高鐵中，包含的芯片數量會高達二十萬顆，其中僅 TI 的芯片使用量就要達數萬顆。

自主化之路上的挑戰

2008 年中國初入高鐵圈時，走的是和很多領域相同的貿工技之路，進口國外的設備在國內組裝生產。十年后，具有完全自主知識產權的“復興號”完全采用自主標準設計，90% 以上基礎零部件已經實現完全國產化。高鐵未來的發展繞不開兩大難點(同時也是重點)——復雜性及可靠性。

我國幅員遼闊，一輛列車既要在冰雪之地的東北安全運行，又要在潮濕的南方運行，既要滿足西藏的高海拔，同時也要滿足新疆的干熱氣候，如此復雜的應用環境使得系統設計更為復雜。而極端的氣候和地理差異，需要芯片廠家能夠提供通用性更強，同時耐溫范圍以及可靠性更強的產品。

國際上并沒有類似的應用環境，而且由于行業窄導致玩家很少，需要設計者自己基于需求不斷升級迭代。這意味著我國高鐵研發已經進入了“無人區”，之前沒人做過，之后也沒人知道該怎么去做。要穿越高科技的無人區，需要有芯片領域的合作伙伴共同前行，只不過與其他行業相比對合作伙伴的要求更高，需要芯片及方案供應商有很好的系統 know-how，能夠提供完整的系統、完善的技術支持。同時，由于長生命周期，需要產品具有一致性及持續穩定的供貨能力，而且還要滿足未來 8 至 10 年的要求。

所幸自主化之路上并不只有孤獨寂寞冷，20 世紀 90 年代中期，我國第一版國產化的電力機車驅動電路板，就采用了 TI 的 C2000 控制器。上世紀 80 年代量產的 C2000 處理器，今天還在服務中國的軌道交通事業，TI 始終如一，陪伴中國客戶一起解決設計中的困難和挑戰。

簡單的追求

千差萬別的應用場景和不同的應用需求造就的設計復雜性，需要供應商提供靈活的解決方案。以數字電源為例，高鐵中的用電設備種類非常豐富，不同種類的負載對于電源方案的要求也是不同的。TI 的 C2000 數字電源產品，可以支持任意的控制模式及環路拓撲設計，支持不同的開關頻率，這樣客戶就可以用一個平臺覆蓋到多樣性的復雜電路的設計。

同時，C2000 還具有實時處理特性以及完整的電源監控和保護功能，下一代 C2000 還滿足 SIL-D 的功能安全特性，從而簡化復雜的安全設計流程要求。TI 的處理器中集成了高性能的 Arm 核與 DSP，可以單芯片滿足復雜的運算及控制需求。同時還支持多協議通信接口，以實現高度可靠的互聯。

最安心的保障

眾所周知，鐵路系統的使用生命周期長達數十年之久，因此各個環節對可靠性都要求很高。就電力系統而言，列車中的動力電壓很高，從受電弓獲得的直流電壓約為 1500 伏，而后還包括交流 380 伏、直流 110 伏等等一系列不同電壓。因此為了避免芯片被擊穿燒毀，以及保證信號傳輸的高可靠性，采用高性能隔離技術勢在必行。

TI 基于二氧化硅的電容隔離技術，具有三大特點：首先是具有高達 2100V 的隔離電壓;其次是隔離層壽命長達一百年，滿足功能安全的時效要求;第三則是具有極低的電磁輻射。這三個特點使其非常適合軌道交通行業。

而在處理器方面，針對鐵路軌交對于備份冗余的需求，TI 的雙核及多核處理器可以提供鎖步或者冗余功能，從而達到可靠性要求。

在功能安全方面，所有 TI 產品在發布之前都要接受資質認證和可靠性測試或基于相似性證明的鑒定，從而保證產品具有高可靠性。TI 的模擬和嵌入式處理產品滿足嚴格的功能安全標準要求(如 ISO 26262 和 IEC 61508)。并使用 TüV SüD 認證的功能安全硬件和軟件開發流程來開發并生產產品。TI 有大量的 HiRel 和車規級的產品，都可以滿足功能安全的要求。

一輛全新的高鐵從設計到測試再到正式量產載客，需要經歷一個漫長的過程，這其中還要進行長達 60 萬公里的測試，以確保產品的安全可靠。TI 始終為客戶提供高可靠、穩定且超長的供貨周期以及不停產的承諾支持，并且可以提供涵蓋從處理器到模擬，從電源到傳感器，從隔離保護到無線的豐富產品組合及系統解決方案。

高鐵自主之路的同行者

除了復雜性和可靠性這兩個設計痛點之外，設計過程中另一個頭痛的則是對方案更新迭代的制約。各種原因造成高鐵的系統設計一旦定板，就幾乎沒有修改的可能，因此需要開發團隊具有長遠的思考。作為供應商，TI 給出的解決方案是從產品定義開始就和客戶緊密合作，共同推進系統開發。

早在 2008 年 TI 就與南車株洲研究所(如今的中車株洲電力機車研究所)建立了聯合實驗室，雙方一起探討未來的場景、技術需要如何發展。2021 年 4 月，聯合實驗室升級，株洲所的設計師可以借助 TI 品類齊全的模擬和嵌入式處理系列產品進行設計，包括實時數字信號處理器、氮化鎵 (GaN) 電源集成電路、行業領先的數據轉換器以及其他高可靠性產品。該實驗室可以支撐中車株洲做一些前沿性的設計和研究，同時 TI 也會投入資源為其專門定義和開發產品。

聯合實驗室升級的背后，體現出我國高鐵自主技術的進步，也體現出 TI 進入中國超過 35 周年，對于中國鐵路發展歷史的見證。從當初的進口組裝到“復興號”的推出，如今中國引領了全球的軌道交通市場，高鐵也成為國家名片。在這個從跟隨到學習、再到超越的過程中， TI 高度本地化的團隊一直陪在這條引進、消化、吸收、再創新的路上。

未來除了現在的高鐵、地鐵、城際之外，也許磁懸浮列車、無軌列車等都會應用到日常的城市內的交通出行上，而且智能交通系統中需要智能化、數據化以互聯化。TI 正在與中車基于聯合實驗室進行更深層次的交流和互動，更深入地理解系統，共同探索也是為了能提供更多支持。Leo 說道，希望看到通過 TI 和中車的合作，有更多的中國列車伴隨著“一帶一路”的發展飛馳在世界各個角落，這也是一名 TIer “芯向中國，科創世界”的初心。

原文標題：TI 芯科技賦能中國新基建之城際軌道交通：飛馳之“芯”

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審核編輯：湯梓紅