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作者：Christian Jonglas，GAIA Converter 技術支持經理 可靠性和性能是國防應用電子系統的絕對要求。該領域的工程師傳統上采用高度定制的設計來滿足這些需求，這些設計由軍用規格的分立元件組裝而成，因此需要經過漫長而昂貴的流程才能生產出定制電源。 然而，歐洲和美國等地的政府鼓勵軍事用戶在采購時優先考慮成本效益，并盡可能使用商用現貨 (COTS) 產品。 對于用于軍事或航空電子應用的 DC/DC 轉換器，COTS 路徑為最終用戶帶來了諸多優勢，主要是因為它提供了標準化、即用型、面向多種應用的產品。使用量產的 COTS 器件經濟高效，可提供可配置為分布式或集中式電源形式的多功能組件。它們適用于各種不同的應用并經過認證，與定制方法相比，可顯著縮短開發時間。 然而，簡單地將 COTS 轉換器用于航空電子設備和軍用電源需要進行仔細的分析，因為存在特定的障礙和要求需要滿足。 COTS 問題 那么，讓我們來看看高可靠性軍用商用現貨 (COTS) 的特殊要求。這些問題主要分為四類：輸入和效率要求；電磁兼容性；環境性能；以及軍用和航空電子系統的特定需求。這些問題可以通過采用模塊化設計方法來解決，例如 GAIA Converter 所采用的方法。這種方法允許在 COTS 技術發揮最佳性能的領域使用它們。此外，它還允許使用其他組件和子系統來滿足軍用級系統的特定要求。 輸入要求 軍用電子設備在運行過程中的電源輸入來源可能多種多樣，因為如果機載發電機無法提供足夠的電能，則需要使用電池提供備用電源。由此產生的運行系統切換可能會導致輸入電壓大幅波動，并伴隨短暫的瞬變。如果轉換器的設計之初沒有考慮到處理遠高于或低于標稱值的輸入電壓，這些變化的副作用是效率下降。 設計一個能夠處理例如9V至80V電壓變化的電源子系統，同時仍能提供穩定或恒定的轉換效率以滿足軍事需求，是一項挑戰。許多COTS轉換器設計為在標稱電壓下以最高效率工作。這些產品有時采用變頻拓撲，以便在輸入電壓范圍內支持零電壓開關。 雖然變頻開關會使噪聲更難預測，從而更難降低噪聲，但零電壓開關 (ZVS) 的實施可以顯著降低噪聲水平，通常可以降低其對雷達和無線電接收器等敏感系統的干擾程度。然而，值得注意的是，變頻也可能帶來穩定性問題，尤其是在負載受到脈沖寬度調制 (PWM) 或脈沖負載等變化的影響時。 此外，消除傳導電磁干擾 (EMI) 的有效性取決于 DC/DC 轉換器是否具有同步功能，該功能允許對噪聲頻率進行微調，以避免干擾雷達或無線電系統的帶寬。此功能在 GAIA Converter 的許多產品中都很常見。關于高頻軟開關，應該澄清的是，雖然它可以提高效率，但它并不能完全消除在整個輸入電壓范圍內管理效率的需要。 瞬態和 EMI 保護 寬輸入范圍無需使用前端電壓瞬變限制器來管理瞬變，否則，與固有的瞬變轉換拓撲相比，前端電壓瞬變限制器會降低整體轉換效率。在軍事應用中，發動機啟動或不同能源之間的轉換等場景可能會產生顯著的瞬變。根據 Mil-Std-1275 標準，啟動電壓為 12V，而 GAIA 轉換器 MGDD 系列可以輕松支持該電壓，因為它們在 9V 閾值下開始工作，從而提供了相當大的裕度。此外，在輸入范圍的高端，由于 MGDD 系列能夠在 9V 至 80V 的輸入范圍內工作，因此可以輕松應對 DO-160 標準規定的 80V/100ms 浪涌。 一個相關的問題在于，當能源切換或由于間歇性故障時，可能會發生欠壓和電壓下降。中斷可能持續 10 毫秒到 1 秒。軍用標準測試了承受這些斷電的能力。面向主流市場設計的 COTS 電源不太可能具備所需的彈性。但可以通過結合適當的電源轉換拓撲和附加模塊，將其設計到電源中。例如，一種增加保持時間的常用技術是在電路中放置一個大電容，以提供足夠大的電荷來暫時維持系統其余部分的供電。然而，使用這種方法的簡單 COTS 設計在能源恢復時可能會產生大的浪涌電流。GAIA 率先采用了一種技術，在電容兩端施加升壓。這可以為給定電容提供更大的能量存儲量。這可以最大限度地延長保持時間，同時減少浪涌電流問題。 模塊化設計技術（例如 GAIA 電源架構所采用的技術）提供了處理更大瞬變的機制。這些技術能夠將專業的軍用電路設計與 COTS 實現中可用的先進技術相結合。世界各地組織制定了許多軍用標準，對瞬變和 EMI 進行了嚴格的控制。 例如，英國的DefStan-461標準規定，標稱電源電壓為28V的地面設備必須能夠承受高達202V（28V標稱電壓加上176V浪涌電壓）的浪涌，持續時間為300ms。這對任何電路拓撲結構都構成了挑戰。但使用專用前端濾波器可以將該電壓鉗位到可接受的范圍內，處理這些能量并保護系統的其余部分。 核心電路采用以防御為重點的設計，并結合模塊化前端濾波器的使用，能夠滿足相關標準的要求。大多數輻射通常來自輸入電纜或負載電路，因此，精心的系統設計至關重要，需要考慮到電路拓撲結構和接地策略，以及屏蔽和布線。 通過在核心設計中采用高頻固定開關，電源轉換器設計人員能夠確保可預測的頻率，從而簡化濾除低頻傳導發射的任務，從而有利于遵守嚴格的發射標準。 GAIA 的方法是將電路的五面都用金屬封裝起來。然后，系統設計人員可以選擇在第六面使用轉換器下方的 PCB 接地屏蔽來完成屏蔽。 環境績效 封裝設計對于軍用電源轉換器的環境性能同樣至關重要。許多商用現貨 (COTS) 電源可以采用開放式框架設計，但由于沖擊和振動應力，這些電源在國防應用中的表現往往不佳。另一種在商用現貨 (COTS) 設計中未廣泛使用的技術是使用灌封技術將單個組件封裝在封裝內。為了保證在易振動環境中的高可靠性，為國防部門設計的電源轉換器廣泛使用灌封技術。如果選擇這種灌封材料，因為它們既導熱又防振，還可以增強內部熱傳導。對于 GAIA 的模塊而言，該技術簡化了設計，因為可以指定模塊化電源中整塊磚塊的外殼到環境的熱阻。 與時俱進 與環境因素一樣，軍用元器件也需要長壽命和長期可靠性，而主流的COTS產品并不能很好地滿足這些要求。雖然元器件的可靠性至關重要，但與之相關的一個問題是設計長壽命。主流商用現貨 (COTS) 產品的生產壽命通常比國防合同及其設備的壽命短得多。作為國防領域的供應商，GAIA 甚至在其首款 DC/DC 轉換器（該產品于 1993 年投放市場）上也保持了連續性。 雖然主流的商用現貨 (COTS) 硬件在國防應用方面可能存在局限性，但這些局限性可以通過模塊化設計方法（例如 GAIA-Converter 所采用的方法）來緩解，這種方法也有助于集成新興技術。碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 等寬帶隙半導體因其低開關損耗和高導電性，在汽車和可再生能源等領域備受青睞。尤其是 SiC，它在高溫下具有高穩定性和可靠的運行。這些特性使其能夠提高工作頻率，從而催生高密度、高功率模塊。 然而，GAIA Converter 目前尚未在其針對相對低電壓（標稱 28V）和低功率（小于 500W）設計的產品中使用 SiC 或 GaN 技術，因為這些寬帶隙半導體在技術上尚無法與此類應用的最佳 MOSFET 競爭。盡管如此，預計隨著這些技術在高壓汽車領域的持續普及，它們最終將在低壓和低功率領域變得更加普及，這是 GAIA 的趨勢。 GAIA Converter 正在密切關注未來的設計。 結論 正如我們所見，國防領域使用 COTS 組件和子系統的趨勢面臨挑戰。但通過與了解這些產品局限性并對軍事項目需求有基本理解的供應商合作，我們有可能充分利用技術進步和大規模生產帶來的學習曲線。這種結合為需要高可靠性和長壽命的應用帶來了創新和前瞻性思維。像 GAIA-CONVERTER 這樣的供應商在運用這些理念塑造軍事和航空電子電源系統的未來方面發揮著關鍵作用。 
圖 1：高可靠性級 40W 多標準低噪聲電源，具有 100ms 的保持能力。
圖 2：40W 電源的印刷電路板圖。 |
