【導(dǎo)讀】復(fù)雜的高功率 DC-DC 轉(zhuǎn)換器架構(gòu)設(shè)計(jì), 給開發(fā)航空航天和軍用級(jí)電源系統(tǒng)的工程師帶來了一些挑戰(zhàn)。 DC-DC轉(zhuǎn)換器必須在輸入電壓、EMI（電磁干擾）環(huán)境條件和熱管理方面符合多種標(biāo)準(zhǔn)和嚴(yán)格要求。
復(fù)雜的高功率 DC-DC 轉(zhuǎn)換器架構(gòu)設(shè)計(jì), 給開發(fā)航空航天和軍用級(jí)電源系統(tǒng)的工程師帶來了一些挑戰(zhàn)。 DC-DC轉(zhuǎn)換器必須在輸入電壓、EMI（電磁干擾）環(huán)境條件和熱管理方面符合多種標(biāo)準(zhǔn)和嚴(yán)格要求。
模塊化方法可以顯著簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程，使工程師能夠使用 COTS 和 SWaP-C 優(yōu)化構(gòu)建模塊來設(shè)計(jì)復(fù)雜的電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。工程師可以滿足多個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和電源要求，同時(shí)根據(jù)新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（例如傳感器開放系統(tǒng)架構(gòu)（SOSA））優(yōu)化其電源架構(gòu)。
本文探討了靈活的模塊化電源架構(gòu), 如何幫助應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。
模塊化電源解決方案
集中式電源解決方案往往是提供多個(gè)輸出的單個(gè)單元，而模塊化方法通過模塊組合提供相同（或更好）的性能。每個(gè)模塊化解決方案的結(jié)構(gòu)將根據(jù)應(yīng)用的需求而有所不同。通常，它將包括多個(gè) DC-DC 轉(zhuǎn)換器，用于改變公共總線電壓以滿足負(fù)載的需求。
可能還包括其他模塊，與 EMI 濾波器、限制器和保持模塊一起提供輔助電壓軌。這樣，當(dāng)輸入出現(xiàn)“下降”時(shí)，例如在啟動(dòng)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，輸出電壓仍然存在。
根據(jù)可用的電源類型（交流或直流電壓），可能有一個(gè)交流-直流前端電源，包括功率因數(shù)校正，以創(chuàng)建一個(gè)電壓軌來為系統(tǒng)中的所有模塊供電。
模塊化方法提供了極大的靈活性，可以滿足非標(biāo)準(zhǔn)要求，而無需涉及定制設(shè)計(jì)的成本和復(fù)雜性。由于它通常使用經(jīng)過預(yù)審的模塊作為構(gòu)建塊，因此 EMI 等挑戰(zhàn)已經(jīng)被量化，并且必要的批準(zhǔn)也已經(jīng)到位。
軍事/航空電子應(yīng)用
對(duì)于軍事/航空電子應(yīng)用中的所有電源解決方案，最常見的電源是提供 24V DC 或 28V DC 的預(yù)定義總線。這適用于機(jī)載和地面應(yīng)用。
存在涵蓋軍事/航空電子應(yīng)用中的電源系統(tǒng)的各種標(biāo)準(zhǔn)，主要是為了維持輸入電壓偏移（包括由于發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)或電源換向和關(guān)閉而導(dǎo)致的瞬態(tài)、尖峰、下降）。
圖 1：各種國(guó)際和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)定義了機(jī)載和地面軍用/航空電子電源的要求
雖然飛機(jī)或車輛內(nèi)可用的標(biāo)稱電壓已明確定義，但軍事應(yīng)用的性質(zhì)意味著系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須考慮電壓波動(dòng)。寬輸入范圍 DC-DC 轉(zhuǎn)換器可以應(yīng)對(duì) 24V DC 或 28V DC 輸入，并滿足機(jī)載應(yīng)用中由于異?；蚓o急操作條件而導(dǎo)致的偏移。對(duì)于車輛地面應(yīng)用，電壓偏差最常見的原因是發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)或起動(dòng)或電源換向。同樣，使用寬輸入范圍 DC-DC 模塊將解決這個(gè)問題。
為了滿足其他要求，可以將其他類型的模塊添加到解決方案中。例如，GAIA 的 LGDS 系列電壓限制器模塊可解決瞬態(tài)問題，而 EMI 濾波器模塊（FGDS 系列）則可滿足 EMI 發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)
在沒有任何總線電源的情況下，系統(tǒng)還應(yīng)在短暫（定義的）時(shí)間內(nèi)繼續(xù)供電。此“保持”時(shí)間通常通過連接在 DC-DC 轉(zhuǎn)換器模塊輸入端總線上的大容量電容器來解決。然而，這種方法有兩個(gè)問題。首先，電容器的充電電壓為標(biāo)稱母線電壓，電容器的尺寸將非常大。其次，如此大的電容器需要外部電路來限制浪涌電流。
保持模塊（例如 GAIA 的 HUGD-300）可以幫助解決這些挑戰(zhàn)。該模塊以較高電壓（通常在 31V DC 至 80V DC 范圍內(nèi)）對(duì)電容器充電，并管理與大容量電容器相關(guān)的任何浪涌電流。隨著存儲(chǔ)的能量按電壓的平方增加，這種方法會(huì)導(dǎo)致原來的大容量電容器的值低得多，而且體積更小且更便宜。
電磁干擾
由于效率的提高和尺寸的縮小，幾乎所有的DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊都是開關(guān)器件；它們切換直流輸入以創(chuàng)建交流波形，然后對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)以提供輸出直流電壓。如前所述，這種方法提高了規(guī)模和效率。然而，它也可能產(chǎn)生電噪聲，如果控制不當(dāng)，可能會(huì)對(duì)其他系統(tǒng)組件產(chǎn)生不利影響。
因此，MIL-STD-461 和 D0-160 等標(biāo)準(zhǔn)定義了允許的傳導(dǎo)和輻射噪聲的最大量。
圖 2：MIL-STD-461 和 DO-160 定義了軍事應(yīng)用中傳導(dǎo)和輻射電噪聲的要求
許多轉(zhuǎn)換器都包含某種形式的內(nèi)置噪聲抑制功能，可抑制傳導(dǎo)噪聲，并且接地金屬外殼可顯著降低輻射噪聲。對(duì)于更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，可以在 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的輸入端添加外部濾波器模塊（如 GAIA 的 FGDS 系列），以進(jìn)一步降低噪聲。
許多 GAIA 的直流轉(zhuǎn)換器都配備了同步引腳，允許模塊的開關(guān)頻率“轉(zhuǎn)向”遠(yuǎn)離系統(tǒng)可能敏感的頻率。此外，在多模塊系統(tǒng)中，每個(gè)模塊的開關(guān)頻率可以通過連接同步引腳來精確對(duì)齊。通過這樣做，設(shè)計(jì)人員可以消除因各個(gè)模塊開關(guān)頻率的微小差異而產(chǎn)生的低頻“拍頻”噪聲。
操作環(huán)境
軍用/航空電子系統(tǒng)可能部署在各種地點(diǎn)，并遭受不同且具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境條件，包括極端溫度、濕度、沖擊和振動(dòng)。
以下一系列標(biāo)準(zhǔn)定義了操作環(huán)境的要求，并概述了為確保模塊合規(guī)而要進(jìn)行的測(cè)試。
圖 3：進(jìn)行了多項(xiàng)惡劣環(huán)境測(cè)試，以確保電源模塊能夠承受其使用條件
對(duì)于采用分立元件的定制電源解決方案，這些測(cè)試必須在設(shè)計(jì)完成后通過。這個(gè)過程將涉及大量的時(shí)間、成本和設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，并且可能需要一些設(shè)計(jì)更改。此外，任何重大的設(shè)計(jì)變更或升級(jí)都需要重新測(cè)試和重新認(rèn)證——同樣需要時(shí)間、成本和風(fēng)險(xiǎn)。
然而，模塊化方法使用經(jīng)過資格預(yù)審的模塊，這些模塊已經(jīng)證明了其滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的能力，從而消除了大部分設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)并極大地簡(jiǎn)化了審批流程。
熱管理
對(duì)于任何電力系統(tǒng)來說，無論其運(yùn)行效率如何，熱量始終是一個(gè)問題。對(duì)于在有限和/或封閉空間中使用的任何系統(tǒng)尤其如此，例如在軍事/航空電子應(yīng)用中。任何熱設(shè)計(jì)都必須包含一些設(shè)計(jì)余量，以確保模塊的可靠性。
GAIA 轉(zhuǎn)換器模塊的設(shè)計(jì)最高外殼或底板溫度（取決于型號(hào)）為 105°C。
幾乎在所有情況下，都需要熱管理，包括使用風(fēng)扇強(qiáng)制風(fēng)冷、電路板上更厚、更大的金屬化、某種形式的散熱或這些技術(shù)的組合。在許多情況下，首選方法是使用與電源模塊的金屬外殼/基板接觸的導(dǎo)熱散熱器。
結(jié)論
由于操作環(huán)境和嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，為軍事/航空電子應(yīng)用設(shè)計(jì)電源解決方案可能具有挑戰(zhàn)性。在許多情況下，采用現(xiàn)成的、預(yù)先批準(zhǔn)的模塊的模塊化方法是最好的方法，因?yàn)樗梢詼p少設(shè)計(jì)時(shí)間和風(fēng)險(xiǎn)。
雖然許多適用的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)使用了一段時(shí)間，但仍進(jìn)行了更新以應(yīng)對(duì)新應(yīng)用或納入新技術(shù)。設(shè)計(jì)人員必須確保其設(shè)計(jì)中使用的模塊符合所有標(biāo)準(zhǔn)的最新版本，以確保設(shè)計(jì)的使用壽命。
此外，傳感器開放標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)聯(lián)盟（SOSA 聯(lián)盟）等其他組織正在積極幫助政府和行業(yè)開發(fā)適用于傳感設(shè)備軍事用途的開放標(biāo)準(zhǔn)和最佳實(shí)踐。
(作者：Christian Jonglas，技術(shù)支持經(jīng)理 – GAIA Converter)
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