高可靠性軍事電子應(yīng)用中輔助電源的 DC－DC 轉(zhuǎn)換

概要

軍用車輛越來越多地配備用于控制、通信、導(dǎo)航和顯示系統(tǒng)的電子設(shè)備。 DC-DC 轉(zhuǎn)換器為這些系統(tǒng)提供輔助電源，但在應(yīng)用中可能會(huì)受到較高的電氣和環(huán)境壓力。本文概述了所用通用標(biāo)準(zhǔn)定義的應(yīng)力水平，并確定了 DC-DC 轉(zhuǎn)換器需要滿足的規(guī)范。

文章

車輛中的電子設(shè)備已經(jīng)激增，現(xiàn)代汽車就像是車輪上的無線連接數(shù)據(jù)中心。軍用車輛正在追隨“Vetronics”或車輛電子設(shè)備的趨勢，但重點(diǎn)不同——就像汽車一樣，需要發(fā)動(dòng)機(jī)控制、顯示器和導(dǎo)航，但對通信、武器控制、傳感和數(shù)據(jù)收集還有額外的要求，連接到其他車輛和固定系統(tǒng)的數(shù)字無線網(wǎng)絡(luò)。甚至人工智能也越來越成為一種功能，用于情況分析和自主操作，提高任務(wù)效率并降低人員風(fēng)險(xiǎn)。與乘用車一樣，高可靠性、低重量和成本也是軍用車輛的因素。

車輛電子市場的驅(qū)動(dòng)因素是最近全球沖突的不幸增加，以及車輛現(xiàn)代化和升級計(jì)劃，以匹配競爭力量并利用電子系統(tǒng)不斷增強(qiáng)的功能。 Allied Market Research 分析師預(yù)計(jì)，到 2030 年，全球 Vetronics 市場價(jià)值將從 2020 年的 42 億美元增至 65 億美元，復(fù)合年增長率為 4.67% [1]。

軍用車輛轉(zhuǎn)向電力推進(jìn)正在考慮之中，但通常僅作為混合動(dòng)力實(shí)施，柴油牽引發(fā)動(dòng)機(jī)仍然是實(shí)用的選擇。

新型軍用車輛的開發(fā)總是緩慢的，需要進(jìn)行大量的測試和鑒定，因此現(xiàn)有平臺(tái)通常會(huì)并行升級。因此，新的電子系統(tǒng)通常必須與傳統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備以及現(xiàn)有的車載供電和配電網(wǎng)絡(luò)兼容。與此同時(shí)，人們開始采取行動(dòng)，使用符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的商業(yè)現(xiàn)成 (COT) 產(chǎn)品而不是定制設(shè)計(jì)來降低成本，以保證不同車輛平臺(tái)之間的互操作性和互換性。

Vetronics 電源軌標(biāo)準(zhǔn)

軍用車輛的標(biāo)稱電池電源通常為 12V 或 24/28VDC，使用的兩個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)是英國 DEF-STAN 61-5（自 2020 年 3 月起第 7 期）和較短的美國 MIL-STD 1275（自 9 月起修訂 F） 2022年。英國標(biāo)準(zhǔn)涵蓋12V和24V系統(tǒng)，而美國版本僅28V。這些標(biāo)準(zhǔn)描述了電源的預(yù)期變化，包括標(biāo)稱范圍、尖峰、浪涌和驟降，任何連接的設(shè)備都必須承受這些變化而不會(huì)損壞，但在某些情況下，功能可能會(huì)暫時(shí)丟失，例如在驟降期間的 DEF-STAN 61-5 中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)引起的。還規(guī)定了對疊加紋波和反極性連接的抗擾性。

正常工作電源電壓限制

MIL-STD 1275/F 定義了 28VDC 電源的工作范圍，限制為 20V 和 33V，并且在初始“接合”電壓降至 12V 后啟動(dòng)電壓降至 16V。級別和時(shí)間顯示在圖1。

圖 1：符合 MIL-STD 1275/F 的軍用車輛直流電源范圍   

DEF-STAN 61-5 的等效圖表顯示在圖2 : 12V 標(biāo)稱電壓的正常工作范圍為 9-19V，12V 系統(tǒng)的正常工作范圍為 18-36V。請注意，該電壓在標(biāo)準(zhǔn)的其他地方顯示為 19-36V，令人困惑。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了 5 分鐘的最大和最小電壓，但實(shí)際上，任何連接的設(shè)備都必須連續(xù)承受該電壓。

圖2： 軍用車輛直流電源范圍符合 DEF-STAN 61-5，適用于 12V 和（括號(hào)內(nèi)）24V 系統(tǒng)

車輛中的終端設(shè)備通常需要一個(gè)較低電壓的穩(wěn)壓電源，且不受干擾，因此 DC-DC 轉(zhuǎn)換器具有寬輸入范圍和固定輸出。為了滿足美國軍用標(biāo)準(zhǔn)，在啟動(dòng)“初始接合”下降期間，轉(zhuǎn)換器還應(yīng)在 28V 電源電壓降至 12V 時(shí)“正常且無降級”運(yùn)行。對于英國軍用標(biāo)準(zhǔn)，對于 24V 電源，該值應(yīng)為 18V，并留有一定余量；對于 12V 電源，該值應(yīng)為 9V。為了滿足這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，連續(xù)輸入范圍為 9-36V 的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器將是合適的。 Gaia 轉(zhuǎn)換器 [2] 的 MGDM-500 / DC-DC 轉(zhuǎn)換器等部件非常理想，能夠在低至 8.5V 的電壓下運(yùn)行，在 DEF-STAN 61-5 啟動(dòng)階段也將繼續(xù)不間斷地運(yùn)行，甚至50ms 8V 電平在設(shè)計(jì)裕度范圍內(nèi)，但不能保證。然而，如前所述，對于英國標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)計(jì)會(huì)在啟動(dòng)過程中喪失功能（條款 B.8.1.1）。隔離式 MGDM-500 在固定 12、15、24、28 或 48VDC 下的額定輸出為 500W，該產(chǎn)品系列中還提供 4W 以上的較低功率版本。

還存在高壓浪涌和瞬變

考慮到 MIL-STD 1275/F，要求設(shè)備能夠抵抗短尖峰，峰值高達(dá) +/-250V，持續(xù) 70μs 最大值，在 1ms 內(nèi)線性減小到 +100V 和 +18V 之間的值。任何單個(gè)尖峰的最大能量為 200mJ (圖3）。

圖 3：根據(jù) MIL-STD 1275/F，車輛供電軌上存在短尖峰

也可能存在高能量浪涌 降至 +100V 持續(xù) 50ms，線性降至 >33V 持續(xù) 500ms，而降至 18V 可持續(xù) 500ms，降至 <20V 持續(xù) 600ms（圖4）。

圖 4：根據(jù) MIL-STD 1275/F，車輛供電軌上存在浪涌

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，紋波電壓在 30Hz 至 5kHz 之間也可能出現(xiàn) +/-4V 峰峰值。

DEF-STAN 61-5 第 6 部分標(biāo)準(zhǔn)定義了 12V 系統(tǒng)的 +100/-150V 的短時(shí)間重復(fù)瞬態(tài)和 24V 系統(tǒng)的 +200/-200V 的短時(shí)間重復(fù)瞬態(tài)。最后 100ns 并每 100μs 重復(fù)一次，突發(fā)時(shí)間為 10ms，間隙為 90ms。標(biāo)準(zhǔn)中描述了精確的波形。根據(jù)英國標(biāo)準(zhǔn)，12V 系統(tǒng)的長瞬變可達(dá) +20V，24V 系統(tǒng)的長瞬變可達(dá) +40V，持續(xù) 50ms。

一個(gè)特別繁重的要求是承受“負(fù)載突降”——高電流負(fù)載突然斷開時(shí)產(chǎn)生的高能量浪涌。在英國標(biāo)準(zhǔn)中，考慮了兩種情況，一種是沒有負(fù)載突降控制的平臺(tái)，一種是具有集中式負(fù)載突降抑制系統(tǒng)的平臺(tái)。在最壞的情況下，連接設(shè)備在 24V 系統(tǒng)中看到 202VDC（在 12V 系統(tǒng)中看到 101VDC），持續(xù) 400/350 毫秒，分別來自 8/4 歐姆的低源阻抗。然而，該標(biāo)準(zhǔn)確實(shí)允許設(shè)備在未損壞的情況下失去功能，并且可以在事件發(fā)生后通過手動(dòng)干預(yù)（如有必要）恢復(fù)。

連接的設(shè)備不得因電源反向連接而損壞，并且在以正確極性連接時(shí)，反向汲取的電流不得超過“正?！敝?。

電磁兼容要求

對于美國的電磁兼容性 (EMC)，MIL-STD 461 將適用，目前版本為 G。在該標(biāo)準(zhǔn)中，針對不同的應(yīng)用定義了發(fā)射和磁化率限值。例如，在“地面、軍隊(duì)”類別中，以下內(nèi)容是相關(guān)的：
CE 102：傳導(dǎo)發(fā)射 - 10 kHz 至 10 MHz
CS 101：磁化率 - 30Hz 至 150kHz
CS 114：磁化率 – 10kHz 至 400 MHz
CS 115：敏感性 - 寬帶脈沖
CS 116：磁化率 – 阻尼正弦瞬態(tài)

DEF-STAN 61-5 規(guī)定設(shè)備應(yīng)滿足 DEF-STAN 59-411 第 1,3 和 4 部分的服務(wù)等級 A，除非另有約定。

連接到車輛電源的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器不能免受指定的尖峰和浪涌的影響，因此通常會(huì)在其前面安裝一個(gè)濾波器和“調(diào)節(jié)器”，為多個(gè)下游模塊供電。 L-C EMC 濾波器能夠滿足高頻輻射和抗擾度標(biāo)準(zhǔn)，并且對標(biāo)稱值和浪涌的變化透明，同時(shí)在一定程度上抑制尖峰。例如，Gaia FGDS-35A-50V 部件，采用 41 x 27 x 16.7mm 板安裝封裝，額定電流為 35A DC。然后，調(diào)節(jié)器可以將瞬態(tài)和浪涌鉗位到后續(xù)轉(zhuǎn)換器的安全水平，甚至在實(shí)際上無法鉗位的高能量事件期間關(guān)閉電源軌。調(diào)節(jié)器通常還包括串聯(lián)低損耗開關(guān)，以提供反極性保護(hù)。

Gaia LGDS-600P 是適合該應(yīng)用的調(diào)節(jié)器模塊的一個(gè)示例。該板載模塊的額定輸出功率為 600W，尺寸僅為 40.7 x 48.5 x 12.7mm，可將其輸出上的任何指定尖峰和浪涌鉗位至最大 38V，處于以下 Gaia DC-DC 轉(zhuǎn)換器的浪涌額定值之內(nèi)。高達(dá) 202VDC 的電壓鉗位，而較高的電壓會(huì)導(dǎo)致調(diào)節(jié)器暫時(shí)斷開連接，并在電壓下降時(shí)自動(dòng)重新連接。調(diào)節(jié)器輸出上的小電容器在持續(xù)時(shí)間內(nèi)提供穿越能量。該模塊還包括附加功能，能夠?qū)⑾掠无D(zhuǎn)換器同步到單個(gè)時(shí)鐘，并提供兩個(gè)反相以最大限度地減少輸入紋波電流和 EMI 特征。欠壓鎖定適用于低輸入電壓，并可在需要時(shí)發(fā)出警告信號(hào)以將輸出切換至備用電源。

DC-DC 配電系統(tǒng)示例

圖5 顯示了符合 MIL-STD 1275/F 和 MIL-STD 461 的示例系統(tǒng)。MGDM-500 是一款單輸出DC/DC，但可以由同一 MGDM 系列中的多個(gè)較低功率模塊替代，以提供一系列任一極性的相互隔離的直流電平。功率限制由 EMI 濾波器的 35A 額定值和總線調(diào)節(jié)器的 600W 最大額定值設(shè)定。

圖5：額定功率為 500W 的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)，符合 MIL-STD 1275/F 和 MIL-STD 461 適用于車輛電子學(xué)應(yīng)用

Vetronics 物理環(huán)境

軍用車輛中的電子設(shè)備必須在惡劣的環(huán)境下運(yùn)行，溫度波動(dòng)范圍大，沖擊和振動(dòng)大，氣流很少或沒有，并且容易受到潮濕和污染物的影響。因此，適合該應(yīng)用的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器應(yīng)該堅(jiān)固耐用，同時(shí)具有高 MTBF 和長使用壽命。引用的 Gaia 的 MGDM-500 就是合適部件的一個(gè)很好的例子。它采用半磚格式，經(jīng)過封裝以提供物理保護(hù)，并且可以冷墻安裝以進(jìn)行散熱。該部件符合 MIL-STD 810G 沖擊、振動(dòng)、碰撞、海拔、濕度和鹽氣氛測試以及 MIL-STD-202G 溫度沖擊和循環(huán)以及耐濕性測試。根據(jù) MIL-HDBK 217F，40°C 下的 MTBF 超過 170 萬小時(shí)。 MGDM-500 的工作溫度范圍為 -40°C 至 105°C，并具有全面的過載、過溫和短路保護(hù)。隔離電壓為1500VDC。

結(jié)論

軍用車輛的有效性和生存能力強(qiáng)烈依賴于集成的電子電子技術(shù)。生成相關(guān)車輛電源軌的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器需要高效、靈活、可擴(kuò)展且可靠，以適應(yīng)開放式設(shè)計(jì)架構(gòu)和 COTS 產(chǎn)品的日益增長的使用，同時(shí)符合軍用標(biāo)準(zhǔn)。 Gaia Converter 等制造商提供完整的解決方案，包括各種兼容的 DC-DC 模塊、匹配的 EMI 濾波器和總線調(diào)節(jié)器。

參考
[1]  https://www.alliedmarketresearch.com/vetronics-market
[2]  https://www.gaia-converter.com