满足智能弹药的动力需求

作者：GAIA Converter

GAIA Converter 客户支持经理 Christian Jonglas 表示，为敏感电子设备提供可靠、一致的电源是智能弹药设计的关键因素，需要密切关注输入功率、热量、尺寸和认证要求方面的灵活性需求

近年来，随着智能弹药的发展，武器技术发生了巨大变化。这些智能弹药利用高可靠性计算、先进传感器和制导系统的进步，可以远距离定位、识别和攻击目标。事实证明，与传统武器设计相比，它们的成功率更高，附带损害更少。

智能弹药可靠性的关键基础在于支持完成任务所需的先进计算、传感器和驱动设备的供电子系统。这些电力系统需要结构紧凑，并且能够应对极端环境，例如冲击、振动和高瞬态温度。这样做可以确保提供给每个电子控制单元的电源轨保持稳定。

智能弹药的开发始于铺路者系列激光制导炸弹，美国空军于 20 世纪 60 年代末进行了实战测试。尽管炸弹和导弹的发射仍然是人类的决定，但智能弹药已经获得了更多的自主能力，例如红外或雷达制导，武器遵循热信号或指定目标的轨迹。对于炮弹来说，惯性制导是一个常见的组件。外壳利用内部陀螺仪和加速计的数据自行引导，以遵循预先编程的轨迹。



对于远程情况，精确制导炮弹使用全球定位系统 (GPS) 的信号引导其射向目标，从而增加成功打击的可能性并降低击中旁观者或友军的风险。对附带损害的担忧有助于激发人们对使用智能弹药的兴趣。防御性应用也正在取得进展。在最近的冲突中，智能地对空导弹对于保护平民至关重要，它使用从激光制导到全自动的各种技术来打击来袭目标。在许多智能弹药中，紧凑型电子设备至关重要。整个系统可能需要安装直径为 55 毫米或 155 毫米的导弹或与便携式防空 (MANPAD) 发射器兼容的导弹。

与传统炮弹相比，用于火炮的智能弹药需要几个额外的电子元件。虽然哑炮弹和智能炮弹都包含保险丝，但智能炮弹将包括更复杂的保险丝系统，该系统依赖于传感器读数和微控制器在引爆有效载荷之前做出的决定。传感器组件将包括一个惯性测量单元，其中包括加速度计和陀螺仪，用于确定炮弹从发射到撞击每个点的方向和速度。 GPS 接收器通常会增强这一功能，帮助确定精确位置。射频（RF）收发器可以允许指挥单元进行远程控制或将数据转发到其他战场资产。

射频和位置评估传感器将与其他传感器一起测量温度、湿度和压力，用于帮助补偿运输过程中和发射后的环境变化，并将数据馈送到中央计算单元。该处理器将执行制导算法并向用于控制轨迹的执行器发送命令。例如，步进电机可以改变外部翅片的姿态来转动外壳并控制其空气速度。机载能源将通过一个或多个 DC/DC 转换器供电。由于传感器和其他组件需要稳定的电源轨，因此提供的功率需要一致且在严格的容差范围内。

能源可以来自多种来源。由于锂电池能量密度高，因此通常用于小型制导弹药。同样，基于小型内燃机或微型涡轮机的车载发电机可以提供持续发电，尽管它们的启动时间可能很长，需要辅助电源来实现瞬态功能。相比之下，超级电容器可以为转向或爆炸等功能提供快速的功率爆发，对于短期交战特别有价值。对于越来越多的情况，弹药被编程为在发射或爆炸前长时间徘徊，从光、振动或空气运动中收集环境能量可以提供长期但低水平的能量。由于这些能源的互补性，智能弹药设计可能包含多个能源产生子系统。

例如，电池单元的电压输出可能会在放电周期结束时迅速下降，这往往会在接近最终爆炸点时发生。备用能源系统用于在主电源耗尽时对其进行补充，但可能需要一段时间才能达到全功率输出，可能会导致输入电压快速变化。专为智能弹药设计的 DC/DC 转换器可以保证电子子系统即使在高应力时期和能源产生的电压变化较大的情况下在电源之间切换时也能获得一致的功率。宽输入电压范围可确保弹药发射至爆炸点后电压轨输出保持一致。在为此应用设计的 DC/DC 转换器中，例如 GAIA Converter 提供的 MGDD 系列，可以找到提供 12V 至 16V 范围的产品。



DC/DC 转换器在优化能源效率和避免使用未稳压电源时电压变化可能导致的组件损坏方面发挥着关键作用。作为确保电子子系统正确供电的组件，高可靠性至关重要。由于智能弹药的外壳内部空间有限，需要装入炸药、能源、执行器和电子设备，因此转换器必须重量轻且体积小。电源设计可能面临的一个问题是高度。尽管许多现成产品的设计占用相对较小的 PCB 空间，但电容器和电感器等无源元件的高度可能会使电源更难以安装到外壳中。 GAIA Converter 制造的 MGDD 系列避免了这个问题，为需要 40W 或 12.5mm 输出功率高达 500W 的设计实现了高度仅为 8mm 的完整 DC/DC 转换器。



DC/DC 转换器应能够在存储期间和部署期间承受较大的温度波动。 GAIA 转换器 MGDD 系列支持的存储温度范围为 –40 至 +125°C，可以满足这一目标。通过使用具有高导热性的双组分化合物封装转换器模块，模块可确保在恶劣环境条件下实现最佳散热。灌封胶还有一个的优点，就是可以防止元件因冲击和振动而损坏。

同样重要的是能够通过有关产品质量和行为的严格军事标准。有几个标准对于智能弹药中的电子设备非常重要。 MIL-STD-810 提供了一系列测试，通过系统承受温度、湿度、冲击、振动和海拔变化的能力来确定系统的耐用性。 MIL-STD-461 确定了军事系统的电磁兼容性 (EMC)，确保智能弹药不会受到外部干扰的不利影响。 MIL-STD-331 提供了一个测试电子元件的框架，以确保最终系统的整体可靠性。

随着智能弹药变得越来越普遍，以及将功能集成到更小的外壳中以支持更广泛的战场场景，集成和开发速度将成为设计中的关键要素。对于电源子系统，这将通过提供集成电源模块（例如 PSDG-48）来支持。该 DC/DC 转换器通过单个 16-60V DC 输入在三个输出电源轨上提供 48W 的功率。集成滤波器提供高 EMC 和基于外部电容器的保持功能，使电源能够承受部署期间板载能源的暂时中断。

为敏感电子设备提供可靠、稳定的电力仍然是智能弹药设计的关键要求。通过关注输入功率、散热、尺寸和认证要求方面的灵活性需求，GAIA 非常适合成为这些系统开发的可靠长期合作伙伴。