DC-DC 转换器：如何利用模块化架构简化电源设计

作者：Christian Jonglas，技术支持经理 – GAIA Converter

复杂的高功率 DC-DC 转换器架构设计, 给开发航空航天和军用级电源系统的工程师带来了一些挑战。 DC-DC转换器必须在输入电压、EMI（电磁干扰）环境条件和热管理方面符合多种标准和严格要求。

模块化方法可以显着简化设计流程，使工程师能够使用 COTS 和 SWaP-C 优化构建模块来设计复杂的电源转换系统。工程师可以满足多个行业标准和电源要求，同时根据新的行业标准（例如传感器开放系统架构（SOSA））优化其电源架构。

本文探讨了灵活的模块化电源架构, 如何帮助应对这些挑战。

模块化电源解决方案

集中式电源解决方案往往是提供多个输出的单个单元，而模块化方法通过模块组合提供相同（或更好）的性能。每个模块化解决方案的结构将根据应用的需求而有所不同。通常，它将包括多个 DC-DC 转换器，用于改变公共总线电压以满足负载的需求。

可能还包括其他模块，与 EMI 滤波器、限制器和保持模块一起提供辅助电压轨。这样，当输入出现“下降”时，例如在启动车辆发动机时，输出电压仍然存在。

根据可用的电源类型（交流或直流电压），可能有一个交流-直流前端电源，包括功率因数校正，以创建一个电压轨来为系统中的所有模块供电。

模块化方法提供了极大的灵活性，可以满足非标准要求，而无需涉及定制设计的成本和复杂性。由于它通常使用经过预审的模块作为构建块，因此 EMI 等挑战已经被量化，并且必要的批准也已经到位。

军事/航空电子应用

对于军事/航空电子应用中的所有电源解决方案，最常见的电源是提供 24V DC 或 28V DC 的预定义总线。这适用于机载和地面应用。

存在涵盖军事/航空电子应用中的电源系统的各种标准，主要是为了维持输入电压偏移（包括由于发动机起动或电源换向和关闭而导致的瞬态、尖峰、下降）。


图 1：各种国际和国家标准定义了机载和地面军用/航空电子电源的要求

虽然飞机或车辆内可用的标称电压已明确定义，但军事应用的性质意味着系统设计必须考虑电压波动。宽输入范围 DC-DC 转换器可以应对 24V DC 或 28V DC 输入，并满足机载应用中由于异常或紧急操作条件而导致的偏移。对于车辆地面应用，电压偏差最常见的原因是发动机启动或起动或电源换向。同样，使用宽输入范围 DC-DC 模块将解决这个问题。

为了满足其他要求，可以将其他类型的模块添加到解决方案中。例如，GAIA 的 LGDS 系列电压限制器模块可解决瞬态问题，而 EMI 滤波器模块（FGDS 系列）则可满足 EMI 发射标准
在没有任何总线电源的情况下，系统还应在短暂（定义的）时间内继续供电。此“保持”时间通常通过连接在 DC-DC 转换器模块输入端总线上的大容量电容器来解决。然而，这种方法有两个问题。首先，电容器的充电电压为标称母线电压，电容器的尺寸将非常大。其次，如此大的电容器需要外部电路来限制浪涌电流。

保持模块（例如 GAIA 的 HUGD-300）可以帮助解决这些挑战。该模块以较高电压（通常在 31V DC 至 80V DC 范围内）对电容器充电，并管理与大容量电容器相关的任何浪涌电流。随着存储的能量按电压的平方增加，这种方法会导致原来的大容量电容器的值低得多，而且体积更小且更便宜。

电磁干扰

由于效率的提高和尺寸的缩小，几乎所有的DC-DC转换器模块都是开关器件；它们切换直流输入以创建交流波形，然后对其进行调节以提供输出直流电压。如前所述，这种方法提高了规模和效率。然而，它也可能产生电噪声，如果控制不当，可能会对其他系统组件产生不利影响。

因此，MIL-STD-461 和 D0-160 等标准定义了允许的传导和辐射噪声的最大量。


图 2：MIL-STD-461 和 DO-160 定义了军事应用中传导和辐射电噪声的要求

许多转换器都包含某种形式的内置噪声抑制功能，可抑制传导噪声，并且接地金属外壳可显着降低辐射噪声。对于更严格的标准，可以在 DC-DC 转换器的输入端添加外部滤波器模块（如 GAIA 的 FGDS 系列），以进一步降低噪声。

许多 GAIA 的直流转换器都配备了同步引脚，允许模块的开关频率“转向”远离系统可能敏感的频率。此外，在多模块系统中，每个模块的开关频率可以通过连接同步引脚来精确对齐。通过这样做，设计人员可以消除因各个模块开关频率的微小差异而产生的低频“拍频”噪声。

操作环境

军用/航空电子系统可能部署在各种地点，并遭受不同且具有挑战性的环境条件，包括极端温度、湿度、冲击和振动。

以下一系列标准定义了操作环境的要求，并概述了为确保模块合规而要进行的测试。


图 3：进行了多项恶劣环境测试，以确保电源模块能够承受其使用条件

对于采用分立元件的定制电源解决方案，这些测试必须在设计完成后通过。这个过程将涉及大量的时间、成本和设计风险，并且可能需要一些设计更改。此外，任何重大的设计变更或升级都需要重新测试和重新认证——同样需要时间、成本和风险。

然而，模块化方法使用经过资格预审的模块，这些模块已经证明了其满足相关标准的能力，从而消除了大部分设计风险并极大地简化了审批流程。

热管理

对于任何电力系统来说，无论其运行效率如何，热量始终是一个问题。对于在有限和/或封闭空间中使用的任何系统尤其如此，例如在军事/航空电子应用中。任何热设计都必须包含一些设计余量，以确保模块的可靠性。

GAIA 转换器模块的设计最高外壳或底板温度（取决于型号）为 105°C。

几乎在所有情况下，都需要热管理，包括使用风扇强制风冷、电路板上更厚、更大的金属化、某种形式的散热或这些技术的组合。在许多情况下，首选方法是使用与电源模块的金属外壳/基板接触的导热散热器。

结论

由于操作环境和严格的标准，为军事/航空电子应用设计电源解决方案可能具有挑战性。在许多情况下，采用现成的、预先批准的模块的模块化方法是最好的方法，因为它可以减少设计时间和风险。

虽然许多适用的标准已经使用了一段时间，但仍进行了更新以应对新应用或纳入新技术。设计人员必须确保其设计中使用的模块符合所有标准的最新版本，以确保设计的使用寿命。

此外，传感器开放标准架构联盟（SOSA 联盟）等其他组织正在积极帮助政府和行业开发适用于传感设备军事用途的开放标准和最佳实践。