高可靠性军事电子应用中辅助电源的 DC-DC 转换

作者：Christian Jonglas，GAIA Converter 客户支持经理

概要

军用车辆越来越多地配备用于控制、通信、导航和显示系统的电子设备。 DC-DC 转换器为这些系统提供辅助电源，但在应用中可能会受到较高的电气和环境压力。本文概述了所用通用标准定义的应力水平，并确定了 DC-DC 转换器需要满足的规范。

文章

车辆中的电子设备已经激增，现代汽车就像是车轮上的无线连接数据中心。军用车辆正在追随“Vetronics”或车辆电子设备的趋势，但重点不同——就像汽车一样，需要发动机控制、显示器和导航，但对通信、武器控制、传感和数据收集还有额外的要求，连接到其他车辆和固定系统的数字无线网络。甚至人工智能也越来越成为一种功能，用于情况分析和自主操作，提高任务效率并降低人员风险。与乘用车一样，高可靠性、低重量和成本也是军用车辆的因素。

车辆电子市场的驱动因素是最近全球冲突的不幸增加，以及车辆现代化和升级计划，以匹配竞争力量并利用电子系统不断增强的功能。 Allied Market Research 分析师预计，到 2030 年，全球 Vetronics 市场价值将从 2020 年的 42 亿美元增至 65 亿美元，复合年增长率为 4.67% 。

军用车辆转向电力推进正在考虑之中，但通常仅作为混合动力实施，柴油牵引发动机仍然是实用的选择。

新型军用车辆的开发总是缓慢的，需要进行大量的测试和鉴定，因此现有平台通常会并行升级。因此，新的电子系统通常必须与传统的相关设备以及现有的车载供电和配电网络兼容。与此同时，人们开始采取行动，使用符合标准规格的商业现成 (COT) 产品而不是定制设计来降低成本，以保证不同车辆平台之间的互操作性和互换性。

Vetronics 电源轨标准

军用车辆的标称电池电源通常为 12V 或 24/28VDC，使用的两个主要标准是英国 DEF-STAN 61-5（自 2020 年 3 月起第 7 期）和较短的美国 MIL-STD 1275（自 9 月起修订 F） 2022年。英国标准涵盖12V和24V系统，而美国版本仅28V。这些标准描述了电源的预期变化，包括标称范围、尖峰、浪涌和骤降，任何连接的设备都必须承受这些变化而不会损坏，但在某些情况下，功能可能会暂时丢失，例如在骤降期间的 DEF-STAN 61-5 中发动机转动引起的。还规定了对叠加纹波和反极性连接的抗扰性。

正常工作电源电压限制

MIL-STD 1275/F 定义了 28VDC 电源的工作范围，限制为 20V 和 33V，并且在初始“接合”电压降至 12V 后启动电压降至 16V。级别和时间显示在图1。


图 1：符合 MIL-STD 1275/F 的军用车辆直流电源范围       

DEF-STAN 61-5 的等效图表显示在图2 : 12V 标称电压的正常工作范围为 9-19V，12V 系统的正常工作范围为 18-36V。请注意，该电压在标准的其他地方显示为 19-36V，令人困惑。该标准规定了 5 分钟的最大和最小电压，但实际上，任何连接的设备都必须连续承受该电压。


图2： 军用车辆直流电源范围符合 DEF-STAN 61-5，适用于 12V 和（括号内）24V 系统
       
车辆中的终端设备通常需要一个较低电压的稳压电源，且不受干扰，因此 DC-DC 转换器具有宽输入范围和固定输出。为了满足美国军用标准，在启动“初始接合”下降期间，转换器还应在 28V 电源电压降至 12V 时“正常且无降级”运行。对于英国军用标准，对于 24V 电源，该值应为 18V，并留有一定余量；对于 12V 电源，该值应为 9V。为了满足这两个标准，连续输入范围为 9-36V 的 DC-DC 转换器将是合适的。 Gaia 转换器 的 MGDM-500 / DC-DC 转换器等部件非常理想，能够在低至 8.5V 的电压下运行，在 DEF-STAN 61-5 启动阶段也将继续不间断地运行，甚至50ms 8V 电平在设计裕度范围内，但不能保证。然而，如前所述，对于英国标准，预计会在启动过程中丧失功能（条款 B.8.1.1）。隔离式 MGDM-500 在固定 12、15、24、28 或 48VDC 下的额定输出为 500W，该产品系列中还提供 4W 以上的较低功率版本。

还存在高压浪涌和瞬变

考虑到 MIL-STD 1275/F，要求设备能够抵抗短尖峰，峰值高达 +/-250V，持续 70μs 最大值，在 1ms 内线性减小到 +100V 和 +18V 之间的值。任何单个尖峰的最大能量为 200mJ (图3）。


图 3：根据 MIL-STD 1275/F，车辆供电轨上存在短尖峰

也可能存在高能量浪涌 降至 +100V 持续 50ms，线性降至 >33V 持续 500ms，而降至 18V 可持续 500ms，降至 <20V 持续 600ms（图4）。


图 4：根据 MIL-STD 1275/F，车辆供电轨上存在浪涌

根据标准，纹波电压在 30Hz 至 5kHz 之间也可能出现 +/-4V 峰峰值。

DEF-STAN 61-5 第 6 部分标准定义了 12V 系统的 +100/-150V 的短时间重复瞬态和 24V 系统的 +200/-200V 的短时间重复瞬态。最后 100ns 并每 100μs 重复一次，突发时间为 10ms，间隙为 90ms。标准中描述了精确的波形。根据英国标准，12V 系统的长瞬变可达 +20V，24V 系统的长瞬变可达 +40V，持续 50ms。

一个特别繁重的要求是承受“负载突降”——高电流负载突然断开时产生的高能量浪涌。在英国标准中，考虑了两种情况，一种是没有负载突降控制的平台，一种是具有集中式负载突降抑制系统的平台。在最坏的情况下，连接设备在 24V 系统中看到 202VDC（在 12V 系统中看到 101VDC），持续 400/350 毫秒，分别来自 8/4 欧姆的低源阻抗。然而，该标准确实允许设备在未损坏的情况下失去功能，并且可以在事件发生后通过手动干预（如有必要）恢复。

连接的设备不得因电源反向连接而损坏，并且在以正确极性连接时，反向汲取的电流不得超过“正常”值。

电磁兼容要求

对于美国的电磁兼容性 (EMC)，MIL-STD 461 将适用，目前版本为 G。在该标准中，针对不同的应用定义了发射和磁化率限值。例如，在“地面、军队”类别中，以下内容是相关的：
CE 102：传导发射 - 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 - 宽带脉冲
CS 116：磁化率 – 阻尼正弦瞬态

DEF-STAN 61-5 规定设备应满足 DEF-STAN 59-411 第 1,3 和 4 部分的服务等级 A，除非另有约定。

连接到车辆电源的 DC-DC 转换器不能免受指定的尖峰和浪涌的影响，因此通常会在其前面安装一个滤波器和“调节器”，为多个下游模块供电。 L-C EMC 滤波器能够满足高频辐射和抗扰度标准，并且对标称值和浪涌的变化透明，同时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 板安装封装，额定电流为 35A DC。然后，调节器可以将瞬态和浪涌钳位到后续转换器的安全水平，甚至在实际上无法钳位的高能量事件期间关闭电源轨。调节器通常还包括串联低损耗开关，以提供反极性保护。

Gaia LGDS-600P 是适合该应用的调节器模块的一个示例。该板载模块的额定输出功率为 600W，尺寸仅为 40.7 x 48.5 x 12.7mm，可将其输出上的任何指定尖峰和浪涌钳位至最大 38V，处于以下 Gaia DC-DC 转换器的浪涌额定值之内。高达 202VDC 的电压钳位，而较高的电压会导致调节器暂时断开连接，并在电压下降时自动重新连接。调节器输出上的小电容器在持续时间内提供穿越能量。该模块还包括附加功能，能够将下游转换器同步到单个时钟，并提供两个反相以最大限度地减少输入纹波电流和 EMI 特征。欠压锁定适用于低输入电压，并可在需要时发出警告信号以将输出切换至备用电源。

DC-DC 配电系统示例

图5 显示了符合 MIL-STD 1275/F 和 MIL-STD 461 的示例系统。MGDM-500 是一款单输出DC/DC，但可以由同一 MGDM 系列中的多个较低功率模块替代，以提供一系列任一极性的相互隔离的直流电平。功率限制由 EMI 滤波器的 35A 额定值和总线调节器的 600W 最大额定值设定。


图5：额定功率为 500W 的 DC-DC 转换器系统，符合 MIL-STD 1275/F 和 MIL-STD 461 适用于车辆电子学应用

Vetronics 物理环境

军用车辆中的电子设备必须在恶劣的环境下运行，温度波动范围大，冲击和振动大，气流很少或没有，并且容易受到潮湿和污染物的影响。因此，适合该应用的 DC-DC 转换器应该坚固耐用，同时具有高 MTBF 和长使用寿命。引用的 Gaia 的 MGDM-500 就是合适部件的一个很好的例子。它采用半砖格式，经过封装以提供物理保护，并且可以冷墙安装以进行散热。该部件符合 MIL-STD 810G 冲击、振动、碰撞、海拔、湿度和盐气氛测试以及 MIL-STD-202G 温度冲击和循环以及耐湿性测试。根据 MIL-HDBK 217F，40°C 下的 MTBF 超过 170 万小时。 MGDM-500 的工作温度范围为 -40°C 至 105°C，并具有全面的过载、过温和短路保护。隔离电压为1500VDC。

结论

军用车辆的有效性和生存能力强烈依赖于集成的电子电子技术。生成相关车辆电源轨的 DC-DC 转换器需要高效、灵活、可扩展且可靠，以适应开放式设计架构和 COTS 产品的日益增长的使用，同时符合军用标准。 Gaia Converter 等制造商提供完整的解决方案，包括各种兼容的 DC-DC 模块、匹配的 EMI 滤波器和总线调节器。

参考
        https://www.alliedmarketresearch.com/vetronics-market
        https://www.gaia-converter.com