标准在国防力量设计中的根本作用

作者：Christian Jonglas，Gaia Converter 技术客户支持经理

无论采用何种组件和子系统，军用系统都要求具备卓越的性能和可靠性。但电气化趋势正对越来越多项目中电力子系统电子设备的性能提出越来越高的要求。

航空电子系统对电力的需求日益增长，以驱动重要的飞行和防御功能。达索“阵风”战斗机采用80千伏安的发电机。而最新型的F-35“闪电II”战斗机则配备了能够产生高达160千伏安电流的系统。

除了用于处理雷达和对抗措施的传统电子系统外，国防系统正转向日益先进的功能，这些功能以人工智能（AI）等技术为基础。这些新增功能增加了系统所需的电力。

这些变化与定向能武器（DEW）等新型应用的发展同步进行。这些应用为应对无人机等日益增长的威胁提供了途径。与传统弹丸武器相比，定向能武器在应对这些威胁方面可能更有效。

无人机本身需要高性能的电源转换器。这些自主遥控飞行器正在拓展现代军队的作战能力。它们的种类繁多，从小型空中四旋翼飞行器到大型水下航行器，应有尽有。

无人机的动力系统也呈现出这种多样性。轻型飞行器可能使用锂离子电池来满足其所有能源需求。为了获得更高的能量密度，陆基和水下无人机的设计者可能会采用内燃机来驱动发电机。而对于水下无人机来说，发电机的供电通常通过电缆连接从岸上或船上获取。

在所有这些应用中，设计人员都需要了解电源子系统能否很好地满足应用及其环境的需求。基于发电机的系统需要能够抵御短暂断电和电压骤降的电源转换器。大多数系统需要防止电磁干扰 (EMI) 以及由温度骤变或极端振动和机械冲击引起的潜在问题。电源转换器能够承受预期工作条件的最佳方式是通过符合相关标准来体现。

由专业团队在军方支持下制定的标准，凝聚了多年经验和对影响性能因素的深刻理解。在定制电子产品的设计中，符合标准始终至关重要，以确保最终系统能够按预期运行。随着商用现成（COTS）子系统的日益普及，其重要性也与日俱增。工业领域设计的产品与军用产品在效率和性能方面有很多共通之处。

但是，如果产品不符合相关标准，使用商用现成产品 (COTS) 的项目团队需要更加努力地评估子系统在军事环境中的运行状况。以由内燃机驱动的发电机供电的系统为例。这类系统存在两个影响其可靠运行的风险。发动机启动或内燃机燃料耗尽切换到备用电池供电时，不同能源之间的切换都可能产生较大的瞬态电压。同样，在能源转换或燃料中断期间，也可能出现电压过低或电压骤降的情况。

电源中断很容易持续长达一秒。通过测试电源在标准规定的已知参数下承受断电的能力，工程师可以对电源在实际工况下的预期性能更有信心。DO-160 和 MIL-STD-704 标准文件规定了评估电源在断电情况下维持输出功率长达 1 秒能力的测试方法。

MIL-STD-704 是军用飞机的一项关键标准，它不仅涵盖电压稳定性，还包括瞬态响应和电能质量。由于其严格的安全要求，诸如 DO-160 和 ABD100 等民用航空电子设备标准对于帮助工程师了解电源模块和子系统的性能至关重要。

军用标准的要求可能非常苛刻。例如，DO-160 要求电源转换器能够承受 28V 电源上的 600V 尖峰电压。但这种尖峰电压持续时间相对较短，仅为几微秒。而 MIL-STD-1275 则要求同类型的电源转换器能够承受超过 100V、持续时间长达 50ms 的浪涌电压。英国的 DefStan 61-5 标准要求更高，它要求电源系统能够承受高达 202V、持续时间长达 350ms 的浪涌电压。


图 1：DO-160G 第 17 节规定的 600V 瞬态尖峰试验波形

如此严格的要求凸显了此类标准在帮助选择商用现成（COTS）模块方面的有效性。很少有工业级模块内置这种功能。即使是军用级转换器也可能缺乏必要的内部保护装置。但模块化架构使得利用商用现成设计技术集成这种级别的保护成为可能，而这在以前则需要定制电路设计。

采用模块化架构，可以将一组分别处理转换和保护功能的组件组合成子系统。直接支持 MIL-STD-1275 和 DO-160 等标准要求的模块，为指定和集成全保护电源提供了简便的途径。

模块化设计通过使用可调元件将所需组件集成到单个单元中，从而实现空间受限的军事系统所需的高密度。例如，GAIA 的 PSDG48 就是一款 48W 三输出电源模块，它将多种保护功能（包括保持保护和电磁兼容性 (EMC) 滤波）集成到同一个紧凑的单元中。

EMC 标准对于确定子系统性能同样至关重要。涵盖辐射和抗扰度等级的关键标准包括 MIL-STD-461、DefStan 59-411 和 VG 95373-20。例如，MIL-STD-461 涵盖了符合标准的电源转换器必须屏蔽的传导干扰的波形和功率等级，以保护下游电子设备。

在环境标准方面，MIL-STD-810 是一项重要的参考标准。该标准规定了测试电子产品在极端温度、各种湿度条件以及冲击和振动下性能所需的条件。

查阅完整标准至关重要；测试条件的描述能够帮助我们深入了解某项要求与实际情况的相关性。标准通常还包括测试夹具和设置图的描述，这对于理解参数的测量和应用方式至关重要。

军用电源设计的一大挑战在于如何高效地从可能篇幅浩繁的文档中找到相关参数。表1总结了地面车辆典型工作电压的关键电源标准。像GAIA这样的军工领域专家可以就关键标准提供指导，并识别出这些标准以及其他对特定应用场景至关重要的要求。

表1：军用车辆电源转换器的相关标准


通过参考标准，设计人员可以最大限度地利用商用现成（COTS）模块来满足目标系统中的电源和其他关键元件的需求。模块化电源转换器（例如 GAIA 开发的转换器）能够加快产品上市速度，并提供符合标准所带来的保障。

如果使用缺乏关键标准合规性测试的模块，设计人员将面临代价高昂的重新设计和认证失败的风险。通过采用符合军用设计和制造标准的模块和子系统，工程团队可以确保其能够顺利通过验收测试，并在实际应用中展现出可靠的性能。选择在工程标准合规性方面拥有良好记录，并且能够阐明各项标准与项目相关性的供应商，可以大大增强项目的可靠性。