可编程性、连接性要求推动了军事用途的数字电源设计

灵活性和可编程性以及提高效率和减少占地面积是当今军用电源（从无人驾驶飞机到地面车辆再到海军军舰）的口味要求。

无论平台（空中、地面还是海上），军用电子应用电源供应商的设计人员都发现，无论最终应用如何，他们的许多设计都是通用性的驱动力，因为最终用户希望设备可以跨多个平台使用并满足多种电源要求。

用户希望解决方案“符合不同的军事力量要求”，因此他们将其应用于多种应用，弗吉尼亚州罗阿诺克的VPT Inc.标准产品工程经理Jeremy Ferrell说。这给设计人员带来了从头开始设计这种灵活性的压力。

例如，VPT的“VXR系列的设计非常灵活，可以满足许多不同的军用和商业航空要求，包括MIL-STD-704，MIL-STD-1275和DO-160，”Ferrell说。（图1）。该设备使用户能够“将散热器安装在两侧，为最终用户的系统设计提供更大的灵活性，”他补充道。

可编程性和网络

与国防部 （DoD） 领域的许多其他电子业务一样，用户希望获得更大的灵活性，以扩展到可编程性和连接性。

“我们看到所有电源产品都需要更多的可编程功能，包括电源、固态电源控制器和电机控制器，”Data Device Corp.（DDC - 波西米亚，纽约）电源工程副总裁John Santini说。“军方认识到总拥有成本，包括后勤支持，因此我们看到对重用的强烈愿望，并推动额外的功能和规格，以允许零件用于多种应用。

随着更好的可编程性，对更多连接性的要求也随之而来。

“连接已迅速成为电源产品的常态，”Santini说。“虽然简单的串行数据链路（如RS-232和RS-485）已经流行多年，但我们看到需要更快，更复杂的协议，例如CAN，1553，Firewire，以太网和EtherCAT。

然而，增加的连接性也带来了网络风险。在当今世界，电源在网络保护方面与其他电子设备没有什么不同。国防部几乎从网络威胁的角度考虑了几乎所有电子设备 - 硬件和软件。

现实情况是，“应对网络安全威胁是任何军事平台的重要组成部分，”新罕布什尔州贝尔蒙特Milpower Source的现场应用工程师Leo Carbonneau补充道。“绝大多数电源转换产品没有连接到网络，因此不需要特定的网络安全工具。

这并不意味着网络安全现在不是一个大问题。Carbonneau澄清说，这意味着公司正在“满足TEMPEST要求以防止意外的电气排放可能是重要的通信安全［COMSEC］步骤”。“少数客户确实满足了TEMPEST的要求。

［编者注：TEMPEST是国家安全局的规范和北约认证，指的是通过泄漏的辐射（包括无意的无线电或电信号，声音和振动）监视信息系统。美国国家安全局的TEMPEST规范涵盖了用于监视他人的方法以及如何保护设备免受此类间谍活动。保护工作也称为排放安全（EMSEC），它是通信安全（COMSEC）的一个子集。

可靠性就是一切

在电源方面，可靠性高于所有要求。电源至关重要，因为没有电源，任何系统都无法使用。

“军事客户正在寻求真正坚固的军事电源转换解决方案，”Carbonneau说。“MIL-STD-461 EMI认证解决方案［用于解决］传导辐射是一个主要问题。在台架测试之前，客户需要验证是否满足所有输出规格以首先运行EMI ［电磁干扰］传导扫描，因为这是最成问题的。

军方对关键任务系统的需求非常具体，用户“应该意识到，所有电源转换解决方案都不能充分解决军事环境的EMI，这可能导致需要外部滤波器，这可能会对电源操作产生不利影响，”Carbonneau补充道。

“每个电源转换解决方案都不一样;采购用于军事环境的电源的公司应密切关注商业级和真正的军用级电源转换解决方案之间的产品资格和设计属性，“他继续说道。

商业/工业可靠性与军事可靠性

军用电源市场包含多种应用，以至于“军用电源市场倾向于跟踪整个军事市场。军用电源通常需要在更严格的环境条件下运行，“桑蒂尼说。

与商业现货（COTS）同行相比，“［军事］规范通常更具限制性，因为它们的任务通常至关重要，”桑蒂尼。“商业和工业电源通常针对给定的市场百分比进行优化，而大多数军用电源必须在所有预期的环境条件下工作 - 并且可靠。

例如，Carbonneau观察到，“在商业市场上，工作温度范围不那么费力，机械要求最低，低成本是首要目标 大多数商用电源都是在中国设计和制造的，通常使用过应力的可疑组件。在军事市场上，组件需要具有更高的质量，工作温度要宽得多，机械要求很高，重量很重要，要避免过时，并且组件可追溯性很重要。

“参议院军事委员会向国防界发出了关于选择用于军事系统的电源产品的明确信息，”Carbonneau说，并指出2018财年的国防授权法案。

“在文件第199页的‘商用现成电源’部分，委员会传达了与选择军事应用电源有关的两个关键点，”Carbonneau指出。“首先，它指出，COTS部件（例如，不符合媒介与信息素养标准设计的产品）引入了不必要的风险，是军事系统故障的主要来源。委员会继续要求项目经理和采购专业人员优先考虑选择用于军事应用的电源产品的设计和认证。

因此，虽然商业用户不需要担心其中的许多要求，但他们像军方一样，仍然必须应对减小尺寸，重量和功率（SWaP）的限制，有些人可能会认为这是所有军事电子应用的最大趋势，甚至比网络更是如此。

SWaP 过去和现在

Santini指出，从历史上看，电源技术的变化是进化的，而不是革命性的。“主要的中断是驱动它们的电源开关。

电源的历史表明，“最早的固态开关是锗，”Santini说。“然后锗被硅取代，双极晶体管让位于FET［场效应晶体管］，而最近碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）部件的引入被证明是下一步。这些变化推动了开关频率的提高，随着开关频率的提高，尺寸和重量也会下降。更低的饱和损耗和更快的开关时间可降低功率损耗，从而提高效率。耗散更少的功率有助于使电源更小。

事实证明，尖端技术有助于应对持续的SWaP挑战。例如，Santini说：“［SiC］和［GaN］氮化物部件的开关时间仅为几年前的一小部分。输出整流二极管在越来越多的设计中被实现为同步开关。

Santini 指出 DDC 的 60 W DC-DC 转换器，“传统的三路输出 60 W 设计，将很快升级为 GAN 驱动设计。它目前是一个 60 W DC-DC 转换器，但是，“将频率提高到 450 kHz 可以将额定输出功率提高到 200 W 以上。

此外，“控制方法也在这种演变中发挥了作用，”Santini补充道。“小型、快速微控制器的可用性使整体控制得以改善。早期的用途通常用于监控和内务管理，后来用于逐周期控制。

最终结果：全数字电源，可实现用户要求的可编程性和连接性。“今天，许多电源完全处于数字控制之下，”Santini 指出。“随着拓扑、磁性元件和其他无源元件的开发，利用这些新部件，随着效率的不断提高，可以预期尺寸和重量将继续缩小。

Carbonneau说：“VPX标准提供了来自不同制造商的兼容卡，所有这些都基于标准连接器和机械设计。这最大限度地减少了封装设计，包括背板，并可以利用现成的模块。

Milpower Source的4065 VPX VITA 62 3U电源“采用楔形锁传导冷却，在-55°C至+85°C的整个工作温度范围内提供6个600 W的输出，输入电压范围为18Vdc至48Vdc，”Carbonneau描述该产品。

“在寻求标准的同时，不应将其与COTS解决方案混淆。VPX 电源转换解决方案在军事环境中始终如一的性能至关重要，“Carbonneau 补充道。

审核编辑：郭婷