可編程性、連接性要求推動(dòng)了軍事用途的數(shù)字電源設(shè)計(jì)

靈活性和可編程性以及提高效率和減少占地面積是當(dāng)今軍用電源（從無人駕駛飛機(jī)到地面車輛再到海軍軍艦）的口味要求。

無論平臺(tái)（空中、地面還是海上），軍用電子應(yīng)用電源供應(yīng)商的設(shè)計(jì)人員都發(fā)現(xiàn)，無論最終應(yīng)用如何，他們的許多設(shè)計(jì)都是通用性的驅(qū)動(dòng)力，因?yàn)樽罱K用戶希望設(shè)備可以跨多個(gè)平臺(tái)使用并滿足多種電源要求。

用戶希望解決方案“符合不同的軍事力量要求”，因此他們將其應(yīng)用于多種應(yīng)用，弗吉尼亞州羅阿諾克的VPT Inc.標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品工程經(jīng)理Jeremy Ferrell說。這給設(shè)計(jì)人員帶來了從頭開始設(shè)計(jì)這種靈活性的壓力。

例如，VPT的“VXR系列的設(shè)計(jì)非常靈活，可以滿足許多不同的軍用和商業(yè)航空要求，包括MIL-STD-704，MIL-STD-1275和DO-160，”Ferrell說。（圖1）。該設(shè)備使用戶能夠“將散熱器安裝在兩側(cè)，為最終用戶的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供更大的靈活性，”他補(bǔ)充道。

可編程性和網(wǎng)絡(luò)

與國防部 （DoD） 領(lǐng)域的許多其他電子業(yè)務(wù)一樣，用戶希望獲得更大的靈活性，以擴(kuò)展到可編程性和連接性。

“我們看到所有電源產(chǎn)品都需要更多的可編程功能，包括電源、固態(tài)電源控制器和電機(jī)控制器，”Data Device Corp.（DDC - 波西米亞，紐約）電源工程副總裁John Santini說?！败姺秸J(rèn)識(shí)到總擁有成本，包括后勤支持，因此我們看到對重用的強(qiáng)烈愿望，并推動(dòng)額外的功能和規(guī)格，以允許零件用于多種應(yīng)用。

隨著更好的可編程性，對更多連接性的要求也隨之而來。

“連接已迅速成為電源產(chǎn)品的常態(tài)，”Santini說?！半m然簡單的串行數(shù)據(jù)鏈路（如RS-232和RS-485）已經(jīng)流行多年，但我們看到需要更快，更復(fù)雜的協(xié)議，例如CAN，1553，F(xiàn)irewire，以太網(wǎng)和EtherCAT。

然而，增加的連接性也帶來了網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)。在當(dāng)今世界，電源在網(wǎng)絡(luò)保護(hù)方面與其他電子設(shè)備沒有什么不同。國防部幾乎從網(wǎng)絡(luò)威脅的角度考慮了幾乎所有電子設(shè)備 - 硬件和軟件。

現(xiàn)實(shí)情況是，“應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)安全威脅是任何軍事平臺(tái)的重要組成部分，”新罕布什爾州貝爾蒙特Milpower Source的現(xiàn)場應(yīng)用工程師Leo Carbonneau補(bǔ)充道?！敖^大多數(shù)電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)品沒有連接到網(wǎng)絡(luò)，因此不需要特定的網(wǎng)絡(luò)安全工具。

這并不意味著網(wǎng)絡(luò)安全現(xiàn)在不是一個(gè)大問題。Carbonneau澄清說，這意味著公司正在“滿足TEMPEST要求以防止意外的電氣排放可能是重要的通信安全［COMSEC］步驟”?！吧贁?shù)客戶確實(shí)滿足了TEMPEST的要求。

［編者注：TEMPEST是國家安全局的規(guī)范和北約認(rèn)證，指的是通過泄漏的輻射（包括無意的無線電或電信號，聲音和振動(dòng)）監(jiān)視信息系統(tǒng)。美國國家安全局的TEMPEST規(guī)范涵蓋了用于監(jiān)視他人的方法以及如何保護(hù)設(shè)備免受此類間諜活動(dòng)。保護(hù)工作也稱為排放安全（EMSEC），它是通信安全（COMSEC）的一個(gè)子集。

可靠性就是一切

在電源方面，可靠性高于所有要求。電源至關(guān)重要，因?yàn)闆]有電源，任何系統(tǒng)都無法使用。

“軍事客戶正在尋求真正堅(jiān)固的軍事電源轉(zhuǎn)換解決方案，”Carbonneau說?！癕IL-STD-461 EMI認(rèn)證解決方案［用于解決］傳導(dǎo)輻射是一個(gè)主要問題。在臺(tái)架測試之前，客戶需要驗(yàn)證是否滿足所有輸出規(guī)格以首先運(yùn)行EMI ［電磁干擾］傳導(dǎo)掃描，因?yàn)檫@是最成問題的。

軍方對關(guān)鍵任務(wù)系統(tǒng)的需求非常具體，用戶“應(yīng)該意識(shí)到，所有電源轉(zhuǎn)換解決方案都不能充分解決軍事環(huán)境的EMI，這可能導(dǎo)致需要外部濾波器，這可能會(huì)對電源操作產(chǎn)生不利影響，”Carbonneau補(bǔ)充道。

“每個(gè)電源轉(zhuǎn)換解決方案都不一樣;采購用于軍事環(huán)境的電源的公司應(yīng)密切關(guān)注商業(yè)級和真正的軍用級電源轉(zhuǎn)換解決方案之間的產(chǎn)品資格和設(shè)計(jì)屬性，“他繼續(xù)說道。

商業(yè)/工業(yè)可靠性與軍事可靠性

軍用電源市場包含多種應(yīng)用，以至于“軍用電源市場傾向于跟蹤整個(gè)軍事市場。軍用電源通常需要在更嚴(yán)格的環(huán)境條件下運(yùn)行，“桑蒂尼說。

與商業(yè)現(xiàn)貨（COTS）同行相比，“［軍事］規(guī)范通常更具限制性，因?yàn)樗鼈兊娜蝿?wù)通常至關(guān)重要，”桑蒂尼。“商業(yè)和工業(yè)電源通常針對給定的市場百分比進(jìn)行優(yōu)化，而大多數(shù)軍用電源必須在所有預(yù)期的環(huán)境條件下工作 - 并且可靠。

例如，Carbonneau觀察到，“在商業(yè)市場上，工作溫度范圍不那么費(fèi)力，機(jī)械要求最低，低成本是首要目標(biāo) 大多數(shù)商用電源都是在中國設(shè)計(jì)和制造的，通常使用過應(yīng)力的可疑組件。在軍事市場上，組件需要具有更高的質(zhì)量，工作溫度要寬得多，機(jī)械要求很高，重量很重要，要避免過時(shí)，并且組件可追溯性很重要。

“參議院軍事委員會(huì)向國防界發(fā)出了關(guān)于選擇用于軍事系統(tǒng)的電源產(chǎn)品的明確信息，”Carbonneau說，并指出2018財(cái)年的國防授權(quán)法案。

“在文件第199頁的‘商用現(xiàn)成電源’部分，委員會(huì)傳達(dá)了與選擇軍事應(yīng)用電源有關(guān)的兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，”Carbonneau指出?！笆紫?，它指出，COTS部件（例如，不符合媒介與信息素養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品）引入了不必要的風(fēng)險(xiǎn)，是軍事系統(tǒng)故障的主要來源。委員會(huì)繼續(xù)要求項(xiàng)目經(jīng)理和采購專業(yè)人員優(yōu)先考慮選擇用于軍事應(yīng)用的電源產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和認(rèn)證。

因此，雖然商業(yè)用戶不需要擔(dān)心其中的許多要求，但他們像軍方一樣，仍然必須應(yīng)對減小尺寸，重量和功率（SWaP）的限制，有些人可能會(huì)認(rèn)為這是所有軍事電子應(yīng)用的最大趨勢，甚至比網(wǎng)絡(luò)更是如此。

SWaP 過去和現(xiàn)在

Santini指出，從歷史上看，電源技術(shù)的變化是進(jìn)化的，而不是革命性的?！爸饕闹袛嗍球?qū)動(dòng)它們的電源開關(guān)。

電源的歷史表明，“最早的固態(tài)開關(guān)是鍺，”Santini說?！叭缓箧N被硅取代，雙極晶體管讓位于FET［場效應(yīng)晶體管］，而最近碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）部件的引入被證明是下一步。這些變化推動(dòng)了開關(guān)頻率的提高，隨著開關(guān)頻率的提高，尺寸和重量也會(huì)下降。更低的飽和損耗和更快的開關(guān)時(shí)間可降低功率損耗，從而提高效率。耗散更少的功率有助于使電源更小。

事實(shí)證明，尖端技術(shù)有助于應(yīng)對持續(xù)的SWaP挑戰(zhàn)。例如，Santini說：“［SiC］和［GaN］氮化物部件的開關(guān)時(shí)間僅為幾年前的一小部分。輸出整流二極管在越來越多的設(shè)計(jì)中被實(shí)現(xiàn)為同步開關(guān)。

Santini 指出 DDC 的 60 W DC-DC 轉(zhuǎn)換器，“傳統(tǒng)的三路輸出 60 W 設(shè)計(jì)，將很快升級為 GAN 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。它目前是一個(gè) 60 W DC-DC 轉(zhuǎn)換器，但是，“將頻率提高到 450 kHz 可以將額定輸出功率提高到 200 W 以上。

此外，“控制方法也在這種演變中發(fā)揮了作用，”Santini補(bǔ)充道?！靶⌒?、快速微控制器的可用性使整體控制得以改善。早期的用途通常用于監(jiān)控和內(nèi)務(wù)管理，后來用于逐周期控制。

最終結(jié)果：全數(shù)字電源，可實(shí)現(xiàn)用戶要求的可編程性和連接性。“今天，許多電源完全處于數(shù)字控制之下，”Santini 指出?！半S著拓?fù)?、磁性元件和其他無源元件的開發(fā)，利用這些新部件，隨著效率的不斷提高，可以預(yù)期尺寸和重量將繼續(xù)縮小。

Carbonneau說：“VPX標(biāo)準(zhǔn)提供了來自不同制造商的兼容卡，所有這些都基于標(biāo)準(zhǔn)連接器和機(jī)械設(shè)計(jì)。這最大限度地減少了封裝設(shè)計(jì)，包括背板，并可以利用現(xiàn)成的模塊。

Milpower Source的4065 VPX VITA 62 3U電源“采用楔形鎖傳導(dǎo)冷卻，在-55°C至+85°C的整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)提供6個(gè)600 W的輸出，輸入電壓范圍為18Vdc至48Vdc，”Carbonneau描述該產(chǎn)品。

“在尋求標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，不應(yīng)將其與COTS解決方案混淆。VPX 電源轉(zhuǎn)換解決方案在軍事環(huán)境中始終如一的性能至關(guān)重要，“Carbonneau 補(bǔ)充道。

審核編輯：郭婷