【導讀】復雜的高功率 DC-DC 轉換器架構設計, 給開(kāi)發(fā)航空航天和軍用級電源系統的工程師帶來(lái)了一些挑戰。 DC-DC轉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準和嚴格要求。
復雜的高功率 DC-DC 轉換器架構設計, 給開(kāi)發(fā)航空航天和軍用級電源系統的工程師帶來(lái)了一些挑戰。 DC-DC轉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準和嚴格要求。
模塊化方法可以顯著(zhù)簡(jiǎn)化設計流程，使工程師能夠使用 COTS 和 SWaP-C 優(yōu)化構建模塊來(lái)設計復雜的電源轉換系統。工程師可以滿(mǎn)足多個(gè)行業(yè)標準和電源要求，同時(shí)根據新的行業(yè)標準（例如傳感器開(kāi)放系統架構（SOSA））優(yōu)化其電源架構。
本文探討了靈活的模塊化電源架構, 如何幫助應對這些挑戰。
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(guò)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構將根據應用的需求而有所不同。通常，它將包括多個(gè) DC-DC 轉換器，用于改變公共總線(xiàn)電壓以滿(mǎn)足負載的需求。
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，當輸入出現“下降”時(shí)，例如在啟動(dòng)車(chē)輛發(fā)動(dòng)機時(shí)，輸出電壓仍然存在。
根據可用的電源類(lèi)型（交流或直流電壓），可能有一個(gè)交流-直流前端電源，包括功率因數校正，以創(chuàng )建一個(gè)電壓軌來(lái)為系統中的所有模塊供電。
模塊化方法提供了極大的靈活性，可以滿(mǎn)足非標準要求，而無(wú)需涉及定制設計的成本和復雜性。由于它通常使用經(jīng)過(guò)預審的模塊作為構建塊，因此 EMI 等挑戰已經(jīng)被量化，并且必要的批準也已經(jīng)到位。
軍事/航空電子應用
對于軍事/航空電子應用中的所有電源解決方案，最常見(jiàn)的電源是提供 24V DC 或 28V DC 的預定義總線(xiàn)。這適用于機載和地面應用。
存在涵蓋軍事/航空電子應用中的電源系統的各種標準，主要是為了維持輸入電壓偏移（包括由于發(fā)動(dòng)機起動(dòng)或電源換向和關(guān)閉而導致的瞬態(tài)、尖峰、下降）。
圖 1：各種國際和國家標準定義了機載和地面軍用/航空電子電源的要求
雖然飛機或車(chē)輛內可用的標稱(chēng)電壓已明確定義，但軍事應用的性質(zhì)意味著(zhù)系統設計必須考慮電壓波動(dòng)。寬輸入范圍 DC-DC 轉換器可以應對 24V DC 或 28V DC 輸入，并滿(mǎn)足機載應用中由于異?；蚓o急操作條件而導致的偏移。對于車(chē)輛地面應用，電壓偏差最常見(jiàn)的原因是發(fā)動(dòng)機啟動(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(wèn)題。
為了滿(mǎn)足其他要求，可以將其他類(lèi)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(wèn)題，而 EMI 濾波器模塊（FGDS 系列）則可滿(mǎn)足 EMI 發(fā)射標準
在沒(méi)有任何總線(xiàn)電源的情況下，系統還應在短暫（定義的）時(shí)間內繼續供電。此“保持”時(shí)間通常通過(guò)連接在 DC-DC 轉換器模塊輸入端總線(xiàn)上的大容量電容器來(lái)解決。然而，這種方法有兩個(gè)問(wèn)題。首先，電容器的充電電壓為標稱(chēng)母線(xiàn)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(lái)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。該模塊以較高電壓（通常在 31V DC 至 80V DC 范圍內）對電容器充電，并管理與大容量電容器相關(guān)的任何浪涌電流。隨著(zhù)存儲的能量按電壓的平方增加，這種方法會(huì )導致原來(lái)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轉換器模塊都是開(kāi)關(guān)器件；它們切換直流輸入以創(chuàng )建交流波形，然后對其進(jìn)行調節以提供輸出直流電壓。如前所述，這種方法提高了規模和效率。然而，它也可能產(chǎn)生電噪聲，如果控制不當，可能會(huì )對其他系統組件產(chǎn)生不利影響。
因此，MIL-STD-461 和 D0-160 等標準定義了允許的傳導和輻射噪聲的最大量。
圖 2：MIL-STD-461 和 DO-160 定義了軍事應用中傳導和輻射電噪聲的要求
許多轉換器都包含某種形式的內置噪聲抑制功能，可抑制傳導噪聲，并且接地金屬外殼可顯著(zhù)降低輻射噪聲。對于更嚴格的標準，可以在 DC-DC 轉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 的直流轉換器都配備了同步引腳，允許模塊的開(kāi)關(guān)頻率“轉向”遠離系統可能敏感的頻率。此外，在多模塊系統中，每個(gè)模塊的開(kāi)關(guān)頻率可以通過(guò)連接同步引腳來(lái)精確對齊。通過(guò)這樣做，設計人員可以消除因各個(gè)模塊開(kāi)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/航空電子系統可能部署在各種地點(diǎn)，并遭受不同且具有挑戰性的環(huán)境條件，包括極端溫度、濕度、沖擊和振動(dòng)。
以下一系列標準定義了操作環(huán)境的要求，并概述了為確保模塊合規而要進(jìn)行的測試。
圖 3：進(jìn)行了多項惡劣環(huán)境測試，以確保電源模塊能夠承受其使用條件
對于采用分立元件的定制電源解決方案，這些測試必須在設計完成后通過(guò)。這個(gè)過(guò)程將涉及大量的時(shí)間、成本和設計風(fēng)險，并且可能需要一些設計更改。此外，任何重大的設計變更或升級都需要重新測試和重新認證——同樣需要時(shí)間、成本和風(fēng)險。
然而，模塊化方法使用經(jīng)過(guò)資格預審的模塊，這些模塊已經(jīng)證明了其滿(mǎn)足相關(guān)標準的能力，從而消除了大部分設計風(fēng)險并極大地簡(jiǎn)化了審批流程。
熱管理
對于任何電力系統來(lái)說(shuō)，無(wú)論其運行效率如何，熱量始終是一個(gè)問(wèn)題。對于在有限和/或封閉空間中使用的任何系統尤其如此，例如在軍事/航空電子應用中。任何熱設計都必須包含一些設計余量，以確保模塊的可靠性。
GAIA 轉換器模塊的設計最高外殼或底板溫度（取決于型號）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/基板接觸的導熱散熱器。
結論
由于操作環(huán)境和嚴格的標準，為軍事/航空電子應用設計電源解決方案可能具有挑戰性。在許多情況下，采用現成的、預先批準的模塊的模塊化方法是最好的方法，因為它可以減少設計時(shí)間和風(fēng)險。
雖然許多適用的標準已經(jīng)使用了一段時(shí)間，但仍進(jìn)行了更新以應對新應用或納入新技術(shù)。設計人員必須確保其設計中使用的模塊符合所有標準的最新版本，以確保設計的使用壽命。
此外，傳感器開(kāi)放標準架構聯(lián)盟（SOSA 聯(lián)盟）等其他組織正在積極幫助政府和行業(yè)開(kāi)發(fā)適用于傳感設備軍事用途的開(kāi)放標準和最佳實(shí)踐。
(作者：Christian Jonglas，技術(shù)支持經(jīng)理 – GAIA Converter)
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