【導讀】車輛中的電子設備已經激增，現代汽車就像是車輪上的無線連接數據中心。軍用車輛正在追隨“Vetronics”或車輛電子設備的趨勢，但重點不同——就像汽車一樣，需要發動機控制、顯示器和導航，但對通信、武器控制、傳感和數據收集還有額外的要求，連接到其他車輛和固定系統的數字無線網絡。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，提高任務效率并降低人員風險。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。
概要
軍用車輛越來越多地配備用于控制、通信、導航和顯示系統的電子設備。 DC-DC 轉換器為這些系統提供輔助電源，但在應用中可能會受到較高的電氣和環境壓力。本文概述了所用通用標準定義的應力水平，并確定了 DC-DC 轉換器需要滿足的規范。
文章
車輛中的電子設備已經激增，現代汽車就像是車輪上的無線連接數據中心。軍用車輛正在追隨“Vetronics”或車輛電子設備的趨勢，但重點不同——就像汽車一樣，需要發動機控制、顯示器和導航，但對通信、武器控制、傳感和數據收集還有額外的要求，連接到其他車輛和固定系統的數字無線網絡。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，提高任務效率并降低人員風險。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。
車輛電子市場的驅動因素是最近全球沖突的不幸增加，以及車輛現代化和升級計劃，以匹配競爭力量并利用電子系統不斷增強的功能。 Allied Market Research 分析師預計，到 2030 年，全球 Vetronics 市場價值將從 2020 年的 42 億美元增至 65 億美元，復合年增長率為 4.67% [1]。
軍用車輛轉向電力推進正在考慮之中，但通常僅作為混合動力實施，柴油牽引發動機仍然是實用的選擇。
新型軍用車輛的開發總是緩慢的，需要進行大量的測試和鑒定，因此現有平臺通常會并行升級。因此，新的電子系統通常必須與傳統的相關設備以及現有的車載供電和配電網絡兼容。與此同時，人們開始采取行動，使用符合標準規格的商業現成 (COT) 產品而不是定制設計來降低成本，以保證不同車輛平臺之間的互操作性和互換性。
Vetronics 電源軌標準
軍用車輛的標稱電池電源通常為 12V 或 24/28VDC，使用的兩個主要標準是英國 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。英國標準涵蓋12V和24V系統，而美國版本僅28V。這些標準描述了電源的預期變化，包括標稱范圍、尖峰、浪涌和驟降，任何連接的設備都必須承受這些變化而不會損壞，但在某些情況下，功能可能會暫時丟失，例如在驟降期間的 DEF-STAN 61-5 中發動機轉動引起的。還規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 后啟動電壓降至 16V。級別和時間顯示在圖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 標稱電壓的正常工作范圍為 9-19V，12V 系統的正常工作范圍為 18-36V。請注意，該電壓在標準的其他地方顯示為 19-36V，令人困惑。該標準規定了 5 分鐘的最大和最小電壓，但實際上，任何連接的設備都必須連續承受該電壓。
圖2： 軍用車輛直流電源范圍符合 DEF-STAN 61-5，適用于 12V 和（括號內）24V 系統
車輛中的終端設備通常需要一個較低電壓的穩壓電源，且不受干擾，因此 DC-DC 轉換器具有寬輸入范圍和固定輸出。為了滿足美國軍用標準，在啟動“初始接合”下降期間，轉換器還應在 28V 電源電壓降至 12V 時“正常且無降級”運行。對于英國軍用標準，對于 24V 電源，該值應為 18V，并留有一定余量；對于 12V 電源，該值應為 9V。為了滿足這兩個標準，連續輸入范圍為 9-36V 的 DC-DC 轉換器將是合適的。 Gaia 轉換器 [2] 的 MGDM-500 / DC-DC 轉換器等部件非常理想，能夠在低至 8.5V 的電壓下運行，在 DEF-STAN 61-5 啟動階段也將繼續不間斷地運行，甚至50ms 8V 電平在設計裕度范圍內，但不能保證。然而，如前所述，對于英國標準，預計會在啟動過程中喪失功能（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，要求設備能夠抵抗短尖峰，峰值高達 +/-250V，持續 70μs 最大值，在 1ms 內線性減小到 +100V 和 +18V 之間的值。任何單個尖峰的最大能量為 200mJ (圖3）。
圖 3：根據 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 50ms，線性降至 >33V 持續 500ms，而降至 18V 可持續 500ms，降至 <20V 持續 600ms（圖4）。
圖 4：根據 MIL-STD 1275/F，車輛供電軌上存在浪涌
根據標準，紋波電壓在 30Hz 至 5kHz 之間也可能出現 +/-4V 峰峰值。
DEF-STAN 61-5 第 6 部分標準定義了 12V 系統的 +100/-150V 的短時間重復瞬態和 24V 系統的 +200/-200V 的短時間重復瞬態。最后 100ns 并每 100μs 重復一次，突發時間為 10ms，間隙為 90ms。標準中描述了精確的波形。根據英國標準，12V 系統的長瞬變可達 +20V，24V 系統的長瞬變可達 +40V，持續 50ms。
一個特別繁重的要求是承受“負載突降”——高電流負載突然斷開時產生的高能量浪涌。在英國標準中，考慮了兩種情況，一種是沒有負載突降控制的平臺，一種是具有集中式負載突降抑制系統的平臺。在最壞的情況下，連接設備在 24V 系統中看到 202VDC（在 12V 系統中看到 101VDC），持續 400/350 毫秒，分別來自 8/4 歐姆的低源阻抗。然而，該標準確實允許設備在未損壞的情況下失去功能，并且可以在事件發生后通過手動干預（如有必要）恢復。
連接的設備不得因電源反向連接而損壞，并且在以正確極性連接時，反向汲取的電流不得超過“正常”值。
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。在該標準中，針對不同的應用定義了發射和磁化率限值。例如，在“地面、軍隊”類別中，以下內容是相關的：
CE 102：傳導發射 - 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
DEF-STAN 61-5 規定設備應滿足 DEF-STAN 59-411 第 1,3 和 4 部分的服務等級 A，除非另有約定。
連接到車輛電源的 DC-DC 轉換器不能免受指定的尖峰和浪涌的影響，因此通常會在其前面安裝一個濾波器和“調節器”，為多個下游模塊供電。 L-C EMC 濾波器能夠滿足高頻輻射和抗擾度標準，并且對標稱值和浪涌的變化透明，同時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，調節器可以將瞬態和浪涌鉗位到后續轉換器的安全水平，甚至在實際上無法鉗位的高能量事件期間關閉電源軌。調節器通常還包括串聯低損耗開關，以提供反極性保護。
Gaia LGDS-600P 是適合該應用的調節器模塊的一個示例。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 轉換器的浪涌額定值之內。高達 202VDC 的電壓鉗位，而較高的電壓會導致調節器暫時斷開連接，并在電壓下降時自動重新連接。調節器輸出上的小電容器在持續時間內提供穿越能量。該模塊還包括附加功能，能夠將下游轉換器同步到單個時鐘，并提供兩個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，并可在需要時發出警告信號以將輸出切換至備用電源。
DC-DC 配電系統示例
圖5 顯示了符合 MIL-STD 1275/F 和 MIL-STD 461 的示例系統。MGDM-500 是一款單輸出DC/DC，但可以由同一 MGDM 系列中的多個較低功率模塊替代，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 額定值和總線調節器的 600W 最大額定值設定。
圖5：額定功率為 500W 的 DC-DC 轉換器系統，符合 MIL-STD 1275/F 和 MIL-STD 461 適用于車輛電子學應用
Vetronics 物理環境
軍用車輛中的電子設備必須在惡劣的環境下運行，溫度波動范圍大，沖擊和振動大，氣流很少或沒有，并且容易受到潮濕和污染物的影響。因此，適合該應用的 DC-DC 轉換器應該堅固耐用，同時具有高 MTBF 和長使用壽命。引用的 Gaia 的 MGDM-500 就是合適部件的一個很好的例子。它采用半磚格式，經過封裝以提供物理保護，并且可以冷墻安裝以進行散熱。該部件符合 MIL-STD 810G 沖擊、振動、碰撞、海拔、濕度和鹽氣氛測試以及 MIL-STD-202G 溫度沖擊和循環以及耐濕性測試。根據 MIL-HDBK 217F，40°C 下的 MTBF 超過 170 萬小時。 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。隔離電壓為1500VDC。
結論
軍用車輛的有效性和生存能力強烈依賴于集成的電子電子技術。生成相關車輛電源軌的 DC-DC 轉換器需要高效、靈活、可擴展且可靠，以適應開放式設計架構和 COTS 產品的日益增長的使用，同時符合軍用標準。 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 濾波器和總線調節器。
參考
[1] https://www.alliedmarketresearch.com/vetronics-market
[2] https://www.gaia-converter.com
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