【導讀】復雜的高功率 DC-DC 轉換器架構設計, 給開發航空航天和軍用級電源系統的工程師帶來了一些挑戰。 DC-DC轉換器必須在輸入電壓、EMI（電磁干擾）環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, 給開發航空航天和軍用級電源系統的工程師帶來了一些挑戰。 DC-DC轉換器必須在輸入電壓、EMI（電磁干擾）環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簡化設計流程，使工程師能夠使用 COTS 和 SWaP-C 優化構建模塊來設計復雜的電源轉換系統。工程師可以滿足多個行業標準和電源要求，同時根據新的行業標準（例如傳感器開放系統架構（SOSA））優化其電源架構。
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輸出的單個單元，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 DC-DC 轉換器，用于改變公共總線電壓以滿足負載的需求。
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，例如在啟動車輛發動機時，輸出電壓仍然存在。
根據可用的電源類型（交流或直流電壓），可能有一個交流-直流前端電源，包括功率因數校正，以創建一個電壓軌來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，可以滿足非標準要求，而無需涉及定制設計的成本和復雜性。由于它通常使用經過預審的模塊作為構建塊，因此 EMI 等挑戰已經被量化，并且必要的批準也已經到位。
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，最常見的電源是提供 24V DC 或 28V DC 的預定義總線。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（包括由于發動機起動或電源換向和關閉而導致的瞬態、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
雖然飛機或車輛內可用的標稱電壓已明確定義，但軍事應用的性質意味著系統設計必須考慮電壓波動。寬輸入范圍 DC-DC 轉換器可以應對 24V DC 或 28V DC 輸入，并滿足機載應用中由于異常或緊急操作條件而導致的偏移。對于車輛地面應用，電壓偏差最常見的原因是發動機啟動或起動或電源換向。同樣，使用寬輸入范圍 DC-DC 模塊將解決這個問題。
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問題，而 EMI 濾波器模塊（FGDS 系列）則可滿足 EMI 發射標準
在沒有任何總線電源的情況下，系統還應在短暫（定義的）時間內繼續供電。此“保持”時間通常通過連接在 DC-DC 轉換器模塊輸入端總線上的大容量電容器來解決。然而，這種方法有兩個問題。首先，電容器的充電電壓為標稱母線電壓，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。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的任何浪涌電流。隨著存儲的能量按電壓的平方增加，這種方法會導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轉換器模塊都是開關器件；它們切換直流輸入以創建交流波形，然后對其進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，它也可能產生電噪聲，如果控制不當，可能會對其他系統組件產生不利影響。
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，允許模塊的開關頻率“轉向”遠離系統可能敏感的頻率。此外，在多模塊系統中，每個模塊的開關頻率可以通過連接同步引腳來精確對齊。通過這樣做，設計人員可以消除因各個模塊開關頻率的微小差異而產生的低頻“拍頻”噪聲。
操作環境
軍用/航空電子系統可能部署在各種地點，并遭受不同且具有挑戰性的環境條件，包括極端溫度、濕度、沖擊和振動。
以下一系列標準定義了操作環境的要求，并概述了為確保模塊合規而要進行的測試。
圖 3：進行了多項惡劣環境測試，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。這個過程將涉及大量的時間、成本和設計風險，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——同樣需要時間、成本和風險。
然而，模塊化方法使用經過資格預審的模塊，這些模塊已經證明了其滿足相關標準的能力，從而消除了大部分設計風險并極大地簡化了審批流程。
熱管理
對于任何電力系統來說，無論其運行效率如何，熱量始終是一個問題。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，包括使用風扇強制風冷、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間和風險。
雖然許多適用的標準已經使用了一段時間，但仍進行了更新以應對新應用或納入新技術。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，傳感器開放標準架構聯盟（SOSA 聯盟）等其他組織正在積極幫助政府和行業開發適用于傳感設備軍事用途的開放標準和最佳實踐。
(作者：Christian Jonglas，技術支持經理 – GAIA Converter)
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