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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(guó)防應(yīng)用電子系統(tǒng)的絕對(duì)要求。該領(lǐng)域的工程師傳統(tǒng)上采用高度定制的設(shè)計(jì)來(lái)滿足這些需求，這些設(shè)計(jì)由軍用規(guī)格的分立元件組裝而成，因此需要經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)而昂貴的流程才能生產(chǎn)出定制電源。 然而，歐洲和美國(guó)等地的政府鼓勵(lì)軍事用戶在采購(gòu)時(shí)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(duì)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(lái)了諸多優(yōu)勢(shì)，主要是因?yàn)樗峁┝藰?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(guò)認(rèn)證，與定制方法相比，可顯著縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。 然而，簡(jiǎn)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?yàn)榇嬖谔囟ǖ恼系K和要求需要滿足。 COTS 問(wèn)題 那么，讓我們來(lái)看看高可靠性軍用商用現(xiàn)貨 (COTS) 的特殊要求。這些問(wèn)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(wèn)題可以通過(guò)采用模塊化設(shè)計(jì)方法來(lái)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(lái)滿足軍用級(jí)系統(tǒng)的特定要求。 輸入要求 軍用電子設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中的電源輸入來(lái)源可能多種多樣，因?yàn)槿绻麢C(jī)載發(fā)電機(jī)無(wú)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(huì)導(dǎo)致輸入電壓大幅波動(dòng)，并伴隨短暫的瞬變。如果轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)之初沒(méi)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(jì)一個(gè)能夠處理例如9V至80V電壓變化的電源子系統(tǒng)，同時(shí)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(xiàng)挑戰(zhàn)。許多COTS轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)為在標(biāo)稱電壓下以最高效率工作。這些產(chǎn)品有時(shí)采用變頻拓?fù)�，以便在輸入電壓范圍�?nèi)支持零電壓開(kāi)關(guān)。 雖然變頻開(kāi)關(guān)會(huì)使噪聲更難預(yù)測(cè)，從而更難降低噪聲，但零電壓開(kāi)關(guān) (ZVS) 的實(shí)施可以顯著降低噪聲水平，通�？梢越档推鋵�(duì)雷達(dá)和無(wú)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(lái)穩(wěn)定性問(wèn)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(shí)。 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(duì)噪聲頻率進(jìn)行微調(diào)，以避免干擾雷達(dá)或無(wú)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(jiàn)。關(guān)于高頻軟開(kāi)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(gè)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(wú)需使用前端電壓瞬變限制器來(lái)管理瞬變，否則，與固有的瞬變轉(zhuǎn)換拓?fù)湎啾龋岸穗妷核沧兿拗破鲿?huì)降低整體轉(zhuǎn)換效率。在軍事應(yīng)用中，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)或不同能源之間的轉(zhuǎn)換等場(chǎng)景可能會(huì)產(chǎn)生顯著的瞬變。根據(jù) Mil-Std-1275 標(biāo)準(zhǔn)，啟動(dòng)電壓為 12V，而 GAIA 轉(zhuǎn)換器 MGDD 系列可以輕松支持該電壓，因?yàn)樗鼈冊(cè)?9V 閾值下開(kāi)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(duì) DO-160 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的 80V/100ms 浪涌。 一個(gè)相關(guān)的問(wèn)題在于，當(dāng)能源切換或由于間歇性故障時(shí)，可能會(huì)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(cè)試了承受這些斷電的能力。面向主流市場(chǎng)設(shè)計(jì)的 COTS 電源不太可能具備所需的彈性。但可以通過(guò)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(jì)到電源中。例如，一種增加保持時(shí)間的常用技術(shù)是在電路中放置一個(gè)大電容，以提供足夠大的電荷來(lái)暫時(shí)維持系統(tǒng)其余部分的供電。然而，使用這種方法的簡(jiǎn)單 COTS 設(shè)計(jì)在能源恢復(fù)時(shí)可能會(huì)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(chǔ)量。這可以最大限度地延長(zhǎng)保持時(shí)間，同時(shí)減少浪涌電流問(wèn)題。 模塊化設(shè)計(jì)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(jì)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(duì)瞬變和 EMI 進(jìn)行了嚴(yán)格的控制。 例如，英國(guó)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(shí)間為300ms。這對(duì)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(jì)，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(lái)自輸入電纜或負(fù)載電路，因此，精心的系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(guò)在核心設(shè)計(jì)中采用高頻固定開(kāi)關(guān)，電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)人員能夠確�？深A(yù)測(cè)的頻率，從而簡(jiǎn)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(lái)。然后，系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(lái)完成屏蔽。 環(huán)境績(jī)效 封裝設(shè)計(jì)對(duì)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(kāi)放式框架設(shè)計(jì)，但由于沖擊和振動(dòng)應(yīng)力，這些電源在國(guó)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(jì)中未廣泛使用的技術(shù)是使用灌封技術(shù)將單個(gè)組件封裝在封裝內(nèi)。為了保證在易振動(dòng)環(huán)境中的高可靠性，為國(guó)防部門(mén)設(shè)計(jì)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?yàn)樗鼈兗葘?dǎo)熱又防振，還可以增強(qiáng)內(nèi)部熱傳導(dǎo)。對(duì)于 GAIA 的模塊而言，該技術(shù)簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，因?yàn)榭梢灾付K化電源中整塊磚塊的外殼到環(huán)境的熱阻。 與時(shí)俱進(jìn) 與環(huán)境因素一樣，軍用元器件也需要長(zhǎng)壽命和長(zhǎng)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(gè)問(wèn)題是設(shè)計(jì)長(zhǎng)壽命。主流商用現(xiàn)貨 (COTS) 產(chǎn)品的生產(chǎn)壽命通常比國(guó)防合同及其設(shè)備的壽命短得多。作為國(guó)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(chǎng)）上也保持了連續(xù)性。 雖然主流的商用現(xiàn)貨 (COTS) 硬件在國(guó)防應(yīng)用方面可能存在局限性，但這些局限性可以通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)方法（例如 GAIA-Converter 所采用的方法）來(lái)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(kāi)關(guān)損耗和高導(dǎo)電性，在汽車(chē)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(duì)相對(duì)低電壓（標(biāo)稱 28V）和低功率（小于 500W）設(shè)計(jì)的產(chǎn)品中使用 SiC 或 GaN 技術(shù)，因?yàn)檫@些寬帶隙半導(dǎo)體在技術(shù)上尚無(wú)法與此類應(yīng)用的最佳 MOSFET 競(jìng)爭(zhēng)。盡管如此，預(yù)計(jì)隨著這些技術(shù)在高壓汽車(chē)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(shì)。 GAIA Converter 正在密切關(guān)注未來(lái)的設(shè)計(jì)。 結(jié)論 正如我們所見(jiàn)，國(guó)防領(lǐng)域使用 COTS 組件和子系統(tǒng)的趨勢(shì)面臨挑戰(zhàn)。但通過(guò)與了解這些產(chǎn)品局限性并對(duì)軍事項(xiàng)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(lái)的學(xué)習(xí)曲線。這種結(jié)合為需要高可靠性和長(zhǎng)壽命的應(yīng)用帶來(lái)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(lái)方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。 
圖 1：高可靠性級(jí) 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。 |
