宽范围DC-DC转换器为军用电子设备供电

先进的电源转换拓扑可实现宽输入电压范围和高效率，使模块化DC-DC转换器能够满足军用电源总线要求并简化电力电子系统设计。

现代军用车辆和飞机上装满了敏感的电子设备。车辆中的电力通常是从车辆电池中获取的24伏直流（VDC），而在飞机上可能是28 VDC，270 VDC，甚至115伏交流电（VAC），但这种电源总线是未调节的，嘈杂的，并且受电压瞬变的影响。隔离式电源对于转换和调节构成每个电子设备的分立电气元件（如FPGA、存储器和显示器）所需的许多电压是必要的。进度和成本压力推动了向使用现成DC-DC转换器的模块化电源解决方案的转变。随着趋势继续朝着更小、更高效、更高性能的电子设备发展，将电压瞬态能力直接集成到DC-DC转换器模块中可以简化电源系统设计，并在效率、尺寸和重量方面提高整体系统性能。

嘈杂的电源总线

MIL-STD-1275，目前是修订版 E，用于管理 24 VDC 军用车辆电源。即使电压取自车辆的电池，它也不是简单的直流电压。MIL-STD-1275规定了各种瞬态条件，这些条件必须考虑在可靠的系统设计中。在发动机启动期间，电压在初始啮合浪涌期间可以急剧下降到12 V，然后在16 V的启动水平上保持长达30秒。修订版 D 将更严重的初始啮合浪涌调至 6 V.开关负载可能导致持续时间短、有限能量的电压尖峰，峰值高达 +/-250 V，通常由接线电感引起。这些尖峰通常可以被夹紧或过滤。较长的持续时间和更高的能量电压浪涌可能是由较大的开关负载或交流发电机上的阶跃负载引起的。交流发电机负载突降就是一个典型的例子，其中大负载（如电池）突然断开连接。交流发电机不能快速降低其输出，而是将要为电池充电的能量放入28 VDC总线，从而导致较大的电压浪涌。这种类型的浪涌不能被钳位或过滤。例如，它必须用串联通过器件（例如金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET））来阻挡;更优选的是，它必须落在下游电子设备的输入范围内。

军用飞机的动力由MIL-STD-704控制，目前为修订版F。虽然270 VDC和115 V，400 Hz AC的电压很常见，但为嵌入式电子设备供电时通常遇到的电压为28 VDC。MIL标准详细说明了正常，异常和紧急操作以及电启动。每种模式都包含稳态电压范围和可能的瞬变。修订版F中的最大瞬变为50 V;但是，修订版A（某些设备仍必须符合）包括80 V瞬变。异常操作包括七秒压差，尽管由于通过该压差的不间断操作需要大量能量存储，例如保持电容器组或电池，因此允许某些设备关闭并重新启动。

表1和表2显示了MIL-STD-1275和MIL-STD-704的各种工作模式和相关电压电平。每个应用可能不需要在每个条件下运行，但结合最坏情况的值，军用车辆的总电压变化可能高达6 V至100 V，飞机的总电压变化可能高达12 V至80 V。这是DC-DC转换器工作的宽电压范围。商用和电信DC-DC转换器模块的输入范围通常仅为18 V至36 V。甚至一些针对军事的模块也只是略微扩展了该范围，但仍然没有直接插入军用动力总线。通常的解决方案是以分立电路或单独模块的形式添加额外的输入瞬态保护。这种增加的复杂性与缩小电子产品的目标背道而驰。理想的解决方案是DC-DC转换器直接处理这些瞬态电压。

表 1 和表 2：MIL-STD-1275E 和表 2 |军用-标准-704F.

拓扑选择

大多数 DC-DC 转换器模块使用降压派生的拓扑结构，例如正激式、推挽式、半桥式或全桥式。这些拓扑结构广为人知，并且具有良好的效率。然而，它们在宽输入电压范围内往往工作不充分，这主要是由于转换比有限和开关上的高压应力。

一个简单的替代方案是反激式拓扑。反激式是最简单的隔离式拓扑结构，具有一个主开关、一个次级开关和一个用于隔离和能量存储的磁性元件。其转换比为n•D/（1-D），其中n为变压器，D为占空比。它的实际范围为0.1n至3n。这比降压派生拓扑的转换比要宽得多，后者为n•D，实际范围为0.1n至0.9n或更小。反激式还在其初级和次级开关上保持低电压应力。

虽然反激式在宽范围应用中表现出色，但它通常被认为是低功耗或低效率拓扑结构。主要原因是它具有脉动输入和输出电流。这导致输出电容中的高均方根电流，从而导致高输出纹波。它还会在主开关和输出整流器中产生高峰值和均方根电流，从而导致效率降低。一旦解决了这些缺点，反激式拓扑的优势就可以实现。

修复反激式

随着功率的增加，脉动输出电流很麻烦，但超低等效串联电阻（ESR）电容器（多层陶瓷或固体钽）是输出的良好选择。这些电容器可以可靠地处理高均方根电流，并提供低电压纹波。第二级L-C滤波器进一步降低了输出纹波。

输出整流器中的高损耗可通过同步整流进行补救。输出整流二极管被一个低导通电阻、低栅极电荷 MOSFET 所取代。然后，MOSFET 与主开关同步切换为异相。MOSFET上的压降和功率损耗可能低于肖特基整流器的压降。诀窍是定时MOSFET的栅极，以最大限度地降低功率损耗。自驱动方案（栅极由变压器驱动）和集成解决方案在高频反激式转换器中往往不能很好地工作。从脉宽调制 （PWM） 控制器同时驱动初级 MOSFET 和同步 MOSFET 可实现精确的时序，这是将功率损耗降至最低的关键。（图 1。必要的栅极驱动信号可以跨隔离边界以数字方式传输。

图 1：反激式拓扑结构，具有次级侧脉宽调制 （PWM） 和控制驱动的同步整流器，可实现最佳效率。

在较高的功率水平下，反激式拓扑仍然是一个不错的选择。而不是加强组件，而是并行添加多个功率级。然后，这些级被异相操作，从而实现输入和输出电流纹波消除。抵消效应显著，大大降低了电容器中的均方根电流。它还增加了纹波频率，进一步减小了滤波器尺寸。

尺寸、重量和功率问题

提高功率转换效率不仅可以节省能源，而且通过减少作为热量耗散的功率，简化热设计，甚至减小布线尺寸，该技术可以减轻重量。功率转换效率通常可以通过增加尺寸来提高，但巧妙的设计可以实现更小的尺寸和更高的效率。将全输入电压瞬态顺应性直接集成到 DC-DC 转换器中，可减小尺寸和复杂性，最终提高可靠性。

这些宽范围隔离式DC-DC转换器的例子可以在VPT Inc.的VXR系列中看到，其输入电压范围为9 V至60 V，可以处理高达100 V的瞬变，并实现高达90%的效率。

审核编辑：郭婷