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作者：Christian Jonglas，GAIA Converter 技術(shù)支持經(jīng)理 可靠性和性能是國防應(yīng)用電子系統(tǒng)的絕對要求。該領(lǐng)域的工程師傳統(tǒng)上采用高度定制的設(shè)計來滿足這些需求，這些設(shè)計由軍用規(guī)格的分立元件組裝而成，因此需要經(jīng)過漫長而昂貴的流程才能生產(chǎn)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(yōu)先考慮成本效益，并盡可能使用商用現(xiàn)貨 (COTS) 產(chǎn)品。 對于用于軍事或航空電子應(yīng)用的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，COTS 路徑為最終用戶帶來了諸多優(yōu)勢，主要是因為它提供了標(biāo)準(zhǔn)化、即用型、面向多種應(yīng)用的產(chǎn)品。使用量產(chǎn)的 COTS 器件經(jīng)濟(jì)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(yīng)用并經(jīng)過認(rèn)證，與定制方法相比，可顯著縮短開發(fā)時間。 然而，簡單地將 COTS 轉(zhuǎn)換器用于航空電子設(shè)備和軍用電源需要進(jìn)行仔細(xì)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(xiàn)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(huán)境性能；以及軍用和航空電子系統(tǒng)的特定需求。這些問題可以通過采用模塊化設(shè)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(shù)發(fā)揮最佳性能的領(lǐng)域使用它們。此外，它還允許使用其他組件和子系統(tǒng)來滿足軍用級系統(tǒng)的特定要求。 輸入要求 軍用電子設(shè)備在運(yùn)行過程中的電源輸入來源可能多種多樣，因為如果機(jī)載發(fā)電機(jī)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(chǎn)生的運(yùn)行系統(tǒng)切換可能會導(dǎo)致輸入電壓大幅波動，并伴隨短暫的瞬變。如果轉(zhuǎn)換器的設(shè)計之初沒有考慮到處理遠(yuǎn)高于或低于標(biāo)稱值的輸入電壓，這些變化的副作用是效率下降。 設(shè)計一個能夠處理例如9V至80V電壓變化的電源子系統(tǒng)，同時仍能提供穩(wěn)定或恒定的轉(zhuǎn)換效率以滿足軍事需求，是一項挑戰(zhàn)。許多COTS轉(zhuǎn)換器設(shè)計為在標(biāo)稱電壓下以最高效率工作。這些產(chǎn)品有時采用變頻拓?fù)�，以便在輸入電壓范圍�?nèi)支持零電壓開關(guān)。 雖然變頻開關(guān)會使噪聲更難預(yù)測，從而更難降低噪聲，但零電壓開關(guān) (ZVS) 的實(shí)施可以顯著降低噪聲水平，通常可以降低其對雷達(dá)和無線電接收器等敏感系統(tǒng)的干擾程度。然而，值得注意的是，變頻也可能帶來穩(wěn)定性問題，尤其是在負(fù)載受到脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 或脈沖負(fù)載等變化的影響時。 此外，消除傳導(dǎo)電磁干擾 (EMI) 的有效性取決于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器是否具有同步功能，該功能允許對噪聲頻率進(jìn)行微調(diào)，以避免干擾雷達(dá)或無線電系統(tǒng)的帶寬。此功能在 GAIA Converter 的許多產(chǎn)品中都很常見。關(guān)于高頻軟開關(guān)，應(yīng)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(nèi)管理效率的需要。 瞬態(tài)和 EMI 保護(hù) 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(zhuǎn)換拓?fù)湎啾�，前端電壓瞬變限制器會降低整體轉(zhuǎn)換效率。在軍事應(yīng)用中，發(fā)動機(jī)啟動或不同能源之間的轉(zhuǎn)換等場景可能會產(chǎn)生顯著的瞬變。根據(jù) Mil-Std-1275 標(biāo)準(zhǔn)，啟動電壓為 12V，而 GAIA 轉(zhuǎn)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(dāng)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(nèi)工作，因此可以輕松應(yīng)對 DO-160 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的 80V/100ms 浪涌。 一個相關(guān)的問題在于，當(dāng)能源切換或由于間歇性故障時，可能會發(fā)生欠壓和電壓下降。中斷可能持續(xù) 10 毫秒到 1 秒。軍用標(biāo)準(zhǔn)測試了承受這些斷電的能力。面向主流市場設(shè)計的 COTS 電源不太可能具備所需的彈性。但可以通過結(jié)合適當(dāng)?shù)碾娫崔D(zhuǎn)換拓?fù)浜透郊幽K，將其設(shè)計到電源中。例如，一種增加保持時間的常用技術(shù)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(tǒng)其余部分的供電。然而，使用這種方法的簡單 COTS 設(shè)計在能源恢復(fù)時可能會產(chǎn)生大的浪涌電流。GAIA 率先采用了一種技術(shù)，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(shè)計技術(shù)（例如 GAIA 電源架構(gòu)所采用的技術(shù)）提供了處理更大瞬變的機(jī)制。這些技術(shù)能夠?qū)I(yè)的軍用電路設(shè)計與 COTS 實(shí)現(xiàn)中可用的先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合。世界各地組織制定了許多軍用標(biāo)準(zhǔn)，對瞬變和 EMI 進(jìn)行了嚴(yán)格的控制。 例如，英國的DefStan-461標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，標(biāo)稱電源電壓為28V的地面設(shè)備必須能夠承受高達(dá)202V（28V標(biāo)稱電壓加上176V浪涌電壓）的浪涌，持續(xù)時間為300ms。這對任何電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都構(gòu)成了挑戰(zhàn)。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(nèi)，處理這些能量并保護(hù)系統(tǒng)的其余部分。 核心電路采用以防御為重點(diǎn)的設(shè)計，并結(jié)合模塊化前端濾波器的使用，能夠滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。大多數(shù)輻射通常來自輸入電纜或負(fù)載電路，因此，精心的系統(tǒng)設(shè)計至關(guān)重要，需要考慮到電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和接地策略，以及屏蔽和布線。 通過在核心設(shè)計中采用高頻固定開關(guān)，電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計人員能夠確�？深A(yù)測的頻率，從而簡化濾除低頻傳導(dǎo)發(fā)射的任務(wù)，從而有利于遵守嚴(yán)格的發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)。 GAIA 的方法是將電路的五面都用金屬封裝起來。然后，系統(tǒng)設(shè)計人員可以選擇在第六面使用轉(zhuǎn)換器下方的 PCB 接地屏蔽來完成屏蔽。 環(huán)境績效 封裝設(shè)計對于軍用電源轉(zhuǎn)換器的環(huán)境性能同樣至關(guān)重要。許多商用現(xiàn)貨 (COTS) 電源可以采用開放式框架設(shè)計，但由于沖擊和振動應(yīng)力，這些電源在國防應(yīng)用中的表現(xiàn)往往不佳。另一種在商用現(xiàn)貨 (COTS) 設(shè)計中未廣泛使用的技術(shù)是使用灌封技術(shù)將單個組件封裝在封裝內(nèi)。為了保證在易振動環(huán)境中的高可靠性，為國防部門設(shè)計的電源轉(zhuǎn)換器廣泛使用灌封技術(shù)。如果選擇這種灌封材料，因為它們既導(dǎo)熱又防振，還可以增強(qiáng)內(nèi)部熱傳導(dǎo)。對于 GAIA 的模塊而言，該技術(shù)簡化了設(shè)計，因為可以指定模塊化電源中整塊磚塊的外殼到環(huán)境的熱阻。 與時俱進(jìn) 與環(huán)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(chǎn)品并不能很好地滿足這些要求。雖然元器件的可靠性至關(guān)重要，但與之相關(guān)的一個問題是設(shè)計長壽命。主流商用現(xiàn)貨 (COTS) 產(chǎn)品的生產(chǎn)壽命通常比國防合同及其設(shè)備的壽命短得多。作為國防領(lǐng)域的供應(yīng)商，GAIA 甚至在其首款 DC/DC 轉(zhuǎn)換器（該產(chǎn)品于 1993 年投放市場）上也保持了連續(xù)性。 雖然主流的商用現(xiàn)貨 (COTS) 硬件在國防應(yīng)用方面可能存在局限性，但這些局限性可以通過模塊化設(shè)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(shù)。碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 等寬帶隙半導(dǎo)體因其低開關(guān)損耗和高導(dǎo)電性，在汽車和可再生能源等領(lǐng)域備受青睞。尤其是 SiC，它在高溫下具有高穩(wěn)定性和可靠的運(yùn)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(biāo)稱 28V）和低功率（小于 500W）設(shè)計的產(chǎn)品中使用 SiC 或 GaN 技術(shù)，因為這些寬帶隙半導(dǎo)體在技術(shù)上尚無法與此類應(yīng)用的最佳 MOSFET 競爭。盡管如此，預(yù)計隨著這些技術(shù)在高壓汽車領(lǐng)域的持續(xù)普及，它們最終將在低壓和低功率領(lǐng)域變得更加普及，這是 GAIA 的趨勢。 GAIA Converter 正在密切關(guān)注未來的設(shè)計。 結(jié)論 正如我們所見，國防領(lǐng)域使用 COTS 組件和子系統(tǒng)的趨勢面臨挑戰(zhàn)。但通過與了解這些產(chǎn)品局限性并對軍事項目需求有基本理解的供應(yīng)商合作，我們有可能充分利用技術(shù)進(jìn)步和大規(guī)模生產(chǎn)帶來的學(xué)習(xí)曲線。這種結(jié)合為需要高可靠性和長壽命的應(yīng)用帶來了創(chuàng)新和前瞻性思維。像 GAIA-CONVERTER 這樣的供應(yīng)商在運(yùn)用這些理念塑造軍事和航空電子電源系統(tǒng)的未來方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。 
圖 1：高可靠性級 40W 多標(biāo)準(zhǔn)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。 |
