作者：Christian Jonglas，GAIA Converter 客戶(hù)支持經(jīng)理

概要

軍用車(chē)輛越來(lái)越多地配備用于控制、通信、導航和顯示系統的電子設備。 DC-DC 轉換器為這些系統提供輔助電源，但在應用中可能會(huì )受到較高的電氣和環(huán)境壓力。本文概述了所用通用標準定義的應力水平，并確定了 DC-DC 轉換器需要滿(mǎn)足的規范。

文章

車(chē)輛中的電子設備已經(jīng)激增，現代汽車(chē)就像是車(chē)輪上的無(wú)線(xiàn)連接數據中心。軍用車(chē)輛正在追隨“Vetronics”或車(chē)輛電子設備的趨勢，但重點(diǎn)不同——就像汽車(chē)一樣，需要發(fā)動(dòng)機控制、顯示器和導航，但對通信、武器控制、傳感和數據收集還有額外的要求，連接到其他車(chē)輛和固定系統的數字無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。甚至人工智能也越來(lái)越成為一種功能，用于情況分析和自主操作，提高任務(wù)效率并降低人員風(fēng)險。與乘用車(chē)一樣，高可靠性、低重量和成本也是軍用車(chē)輛的因素。

車(chē)輛電子市場(chǎng)的驅動(dòng)因素是最近全球沖突的不幸增加，以及車(chē)輛現代化和升級計劃，以匹配競爭力量并利用電子系統不斷增強的功能。 Allied Market Research 分析師預計，到 2030 年，全球 Vetronics 市場(chǎng)價(jià)值將從 2020 年的 42 億美元增至 65 億美元，復合年增長(cháng)率為 4.67% [1]。

軍用車(chē)輛轉向電力推進(jìn)正在考慮之中，但通常僅作為混合動(dòng)力實(shí)施，柴油牽引發(fā)動(dòng)機仍然是實(shí)用的選擇。

新型軍用車(chē)輛的開(kāi)發(fā)總是緩慢的，需要進(jìn)行大量的測試和鑒定，因此現有平臺通常會(huì )并行升級。因此，新的電子系統通常必須與傳統的相關(guān)設備以及現有的車(chē)載供電和配電網(wǎng)絡(luò )兼容。與此同時(shí)，人們開(kāi)始采取行動(dòng)，使用符合標準規格的商業(yè)現成 (COT) 產(chǎn)品而不是定制設計來(lái)降低成本，以保證不同車(chē)輛平臺之間的互操作性和互換性。

Vetronics 電源軌標準

軍用車(chē)輛的標稱(chēng)電池電源通常為 12V 或 24/28VDC，使用的兩個(gè)主要標準是英國 DEF-STAN 61-5（自 2020 年 3 月起第 7 期）和較短的美國 MIL-STD 1275（自 9 月起修訂 F） 2022年。英國標準涵蓋12V和24V系統，而美國版本僅28V。這些標準描述了電源的預期變化，包括標稱(chēng)范圍、尖峰、浪涌和驟降，任何連接的設備都必須承受這些變化而不會(huì )損壞，但在某些情況下，功能可能會(huì )暫時(shí)丟失，例如在驟降期間的 DEF-STAN 61-5 中發(fā)動(dòng)機轉動(dòng)引起的。還規定了對疊加紋波和反極性連接的抗擾性。

正常工作電源電壓限制

MIL-STD 1275/F 定義了 28VDC 電源的工作范圍，限制為 20V 和 33V，并且在初始“接合”電壓降至 12V 后啟動(dòng)電壓降至 16V。級別和時(shí)間顯示在圖1。

圖 1：符合 MIL-STD 1275/F 的軍用車(chē)輛直流電源范圍     

DEF-STAN 61-5 的等效圖表顯示在圖2 : 12V 標稱(chēng)電壓的正常工作范圍為 9-19V，12V 系統的正常工作范圍為 18-36V。請注意，該電壓在標準的其他地方顯示為 19-36V，令人困惑。該標準規定了 5 分鐘的最大和最小電壓，但實(shí)際上，任何連接的設備都必須連續承受該電壓。

圖2： 軍用車(chē)輛直流電源范圍符合 DEF-STAN 61-5，適用于 12V 和（括號內）24V 系統

車(chē)輛中的終端設備通常需要一個(gè)較低電壓的穩壓電源，且不受干擾，因此 DC-DC 轉換器具有寬輸入范圍和固定輸出。為了滿(mǎn)足美國軍用標準，在啟動(dòng)“初始接合”下降期間，轉換器還應在 28V 電源電壓降至 12V 時(shí)“正常且無(wú)降級”運行。對于英國軍用標準，對于 24V 電源，該值應為 18V，并留有一定余量；對于 12V 電源，該值應為 9V。為了滿(mǎn)足這兩個(gè)標準，連續輸入范圍為 9-36V 的 DC-DC 轉換器將是合適的。 Gaia 轉換器 [2] 的 MGDM-500 / DC-DC 轉換器等部件非常理想，能夠在低至 8.5V 的電壓下運行，在 DEF-STAN 61-5 啟動(dòng)階段也將繼續不間斷地運行，甚至50ms 8V 電平在設計裕度范圍內，但不能保證。然而，如前所述，對于英國標準，預計會(huì )在啟動(dòng)過(guò)程中喪失功能（條款 B.8.1.1）。隔離式 MGDM-500 在固定 12、15、24、28 或 48VDC 下的額定輸出為 500W，該產(chǎn)品系列中還提供 4W 以上的較低功率版本。

還存在高壓浪涌和瞬變

考慮到 MIL-STD 1275/F，要求設備能夠抵抗短尖峰，峰值高達 +/-250V，持續 70μs 最大值，在 1ms 內線(xiàn)性減小到 +100V 和 +18V 之間的值。任何單個(gè)尖峰的最大能量為 200mJ (圖3）。

圖 3：根據 MIL-STD 1275/F，車(chē)輛供電軌上存在短尖峰

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

圖 4：根據 MIL-STD 1275/F，車(chē)輛供電軌上存在浪涌

根據標準，紋波電壓在 30Hz 至 5kHz 之間也可能出現 +/-4V 峰峰值。

DEF-STAN 61-5 第 6 部分標準定義了 12V 系統的 +100/-150V 的短時(shí)間重復瞬態(tài)和 24V 系統的 +200/-200V 的短時(shí)間重復瞬態(tài)。最后 100ns 并每 100μs 重復一次，突發(fā)時(shí)間為 10ms，間隙為 90ms。標準中描述了精確的波形。根據英國標準，12V 系統的長(cháng)瞬變可達 +20V，24V 系統的長(cháng)瞬變可達 +40V，持續 50ms。

一個(gè)特別繁重的要求是承受“負載突降”——高電流負載突然斷開(kāi)時(shí)產(chǎn)生的高能量浪涌。在英國標準中，考慮了兩種情況，一種是沒(méi)有負載突降控制的平臺，一種是具有集中式負載突降抑制系統的平臺。在最壞的情況下，連接設備在 24V 系統中看到 202VDC（在 12V 系統中看到 101VDC），持續 400/350 毫秒，分別來(lái)自 8/4 歐姆的低源阻抗。然而，該標準確實(shí)允許設備在未損壞的情況下失去功能，并且可以在事件發(fā)生后通過(guò)手動(dòng)干預（如有必要）恢復。

連接的設備不得因電源反向連接而損壞，并且在以正確極性連接時(shí)，反向汲取的電流不得超過(guò)“正�！敝�。

電磁兼容要求

對于美國的電磁兼容性 (EMC)，MIL-STD 461 將適用，目前版本為 G。在該標準中，針對不同的應用定義了發(fā)射和磁化率限值。例如，在“地面、軍隊”類(lèi)別中，以下內容是相關(guān)的：
CE 102：傳導發(fā)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 - 寬帶脈沖
CS 116：磁化率 – 阻尼正弦瞬態(tài)

DEF-STAN 61-5 規定設備應滿(mǎn)足 DEF-STAN 59-411 第 1,3 和 4 部分的服務(wù)等級 A，除非另有約定。

連接到車(chē)輛電源的 DC-DC 轉換器不能免受指定的尖峰和浪涌的影響，因此通常會(huì )在其前面安裝一個(gè)濾波器和“調節器”，為多個(gè)下游模塊供電。 L-C EMC 濾波器能夠滿(mǎn)足高頻輻射和抗擾度標準，并且對標稱(chēng)值和浪涌的變化透明，同時(shí)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 板安裝封裝，額定電流為 35A DC。然后，調節器可以將瞬態(tài)和浪涌鉗位到后續轉換器的安全水平，甚至在實(shí)際上無(wú)法鉗位的高能量事件期間關(guān)閉電源軌。調節器通常還包括串聯(lián)低損耗開(kāi)關(guān)，以提供反極性保護。

Gaia LGDS-600P 是適合該應用的調節器模塊的一個(gè)示例。該板載模塊的額定輸出功率為 600W，尺寸僅為 40.7 x 48.5 x 12.7mm，可將其輸出上的任何指定尖峰和浪涌鉗位至最大 38V，處于以下 Gaia DC-DC 轉換器的浪涌額定值之內。高達 202VDC 的電壓鉗位，而較高的電壓會(huì )導致調節器暫時(shí)斷開(kāi)連接，并在電壓下降時(shí)自動(dòng)重新連接。調節器輸出上的小電容器在持續時(shí)間內提供穿越能量。該模塊還包括附加功能，能夠將下游轉換器同步到單個(gè)時(shí)鐘，并提供兩個(gè)反相以最大限度地減少輸入紋波電流和 EMI 特征。欠壓鎖定適用于低輸入電壓，并可在需要時(shí)發(fā)出警告信號以將輸出切換至備用電源。

DC-DC 配電系統示例

圖5 顯示了符合 MIL-STD 1275/F 和 MIL-STD 461 的示例系統。MGDM-500 是一款單輸出DC/DC，但可以由同一 MGDM 系列中的多個(gè)較低功率模塊替代，以提供一系列任一極性的相互隔離的直流電平。功率限制由 EMI 濾波器的 35A 額定值和總線(xiàn)調節器的 600W 最大額定值設定。

圖5：額定功率為 500W 的 DC-DC 轉換器系統，符合 MIL-STD 1275/F 和 MIL-STD 461 適用于車(chē)輛電子學(xué)應用

Vetronics 物理環(huán)境

軍用車(chē)輛中的電子設備必須在惡劣的環(huán)境下運行，溫度波動(dòng)范圍大，沖擊和振動(dòng)大，氣流很少或沒(méi)有，并且容易受到潮濕和污染物的影響。因此，適合該應用的 DC-DC 轉換器應該堅固耐用，同時(shí)具有高 MTBF 和長(cháng)使用壽命。引用的 Gaia 的 MGDM-500 就是合適部件的一個(gè)很好的例子。它采用半磚格式，經(jīng)過(guò)封裝以提供物理保護，并且可以冷墻安裝以進(jìn)行散熱。該部件符合 MIL-STD 810G 沖擊、振動(dòng)、碰撞、海拔、濕度和鹽氣氛測試以及 MIL-STD-202G 溫度沖擊和循環(huán)以及耐濕性測試。根據 MIL-HDBK 217F，40°C 下的 MTBF 超過(guò) 170 萬(wàn)小時(shí)。 MGDM-500 的工作溫度范圍為 -40°C 至 105°C，并具有全面的過(guò)載、過(guò)溫和短路保護。隔離電壓為1500VDC。

結論

軍用車(chē)輛的有效性和生存能力強烈依賴(lài)于集成的電子電子技術(shù)。生成相關(guān)車(chē)輛電源軌的 DC-DC 轉換器需要高效、靈活、可擴展且可靠，以適應開(kāi)放式設計架構和 COTS 產(chǎn)品的日益增長(cháng)的使用，同時(shí)符合軍用標準。 Gaia Converter 等制造商提供完整的解決方案，包括各種兼容的 DC-DC 模塊、匹配的 EMI 濾波器和總線(xiàn)調節器。