軍用應(yīng)用的新動(dòng)力：MIL-COTS 前端濾波器

設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)的工程師必須符合輸入電壓范圍和瞬態(tài)、負(fù)載要求、EMI、環(huán)境條件、熱管理和可靠性等多項(xiàng)規(guī)格。軍事應(yīng)用要求最高，需要特殊的濾波和保護(hù)電路以確保在極端條件下安全運(yùn)作。以下文章介紹如何解決這些挑戰(zhàn)并展示了一些典型的電源解決方案。

如今，幾乎所有電源轉(zhuǎn)換器都使用以數(shù)百 kHz 頻率進(jìn)行開(kāi)關(guān)的拓?fù)?，產(chǎn)生一定量的傳導(dǎo)和輻射高頻雜訊。整合到電源轉(zhuǎn)換器中的簡(jiǎn)單 PI 濾波器解決方案可能足以滿足幾瓦的極低功率等級(jí)。為消耗數(shù)十或數(shù)百瓦功率的系統(tǒng)設(shè)計(jì) EMI 濾波器可能成為一項(xiàng)真正的挑戰(zhàn)，需要對(duì) HF 設(shè)計(jì)和正確布局有豐富的了解。每種轉(zhuǎn)換器拓?fù)涠紩?huì)產(chǎn)生不同的高頻雜訊頻譜，這些頻譜也會(huì)因應(yīng)用消耗的功率而變化，且濾波器必須針對(duì)所有操作條件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在濾波器解決方案最終滿足規(guī)格之前，可能需要在專門(mén)研究 MIL 標(biāo)準(zhǔn)的昂貴的認(rèn)可實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行多次試驗(yàn)和測(cè)試。這個(gè)耗時(shí)的過(guò)程為新專案的整體設(shè)計(jì)成本增加了大量資金，而這些成本必須透過(guò) MIL 應(yīng)用中通常較低的數(shù)量進(jìn)行攤提。

由于系統(tǒng)中裝有復(fù)雜的電子設(shè)備和感測(cè)器，軍事設(shè)備的空間和重量通常受到限制。高靈敏度的測(cè)量或通訊設(shè)備可能在功率轉(zhuǎn)換器附近工作，并且不同系統(tǒng)之間不允許干擾。因此，MIL 應(yīng)用的 EMI 規(guī)格比其他市場(chǎng)更嚴(yán)格，使得濾波器設(shè)計(jì)更加復(fù)雜。

另一個(gè)挑戰(zhàn)是極端的環(huán)境條件，包括由沖擊和振動(dòng)引起的高機(jī)械應(yīng)力。 EMI 濾波器所需的磁性元件和電容器是笨重的元件，需要特殊的方法來(lái)避免高沖擊和振動(dòng)對(duì)元件或焊接連接造成任何損壞。

當(dāng)現(xiàn)成的濾波器解決方案可用、滿足所有這些要求并且針對(duì)各種DC/DC 電源轉(zhuǎn)換器量身定制時(shí)，為什么還要花費(fèi)大量資金和數(shù)周寶貴的工程資源呢？ P-DUKE 的 MCF-028 前端濾波器系列設(shè)計(jì)用于涵蓋典型 28V 國(guó)防應(yīng)用中 45W 至 250W 的功率范圍。它們的濾波器行為符合數(shù)百種 DC/DC 電源轉(zhuǎn)換器的要求，并且透過(guò)遵循建議的 PCB 布局，可以非常輕松地設(shè)計(jì)出一次性通過(guò) EMI 測(cè)試的系統(tǒng)，而無(wú)需進(jìn)一步重新設(shè)計(jì)。

觸控螢?zāi)坏?80W 電源解決方案就是一個(gè)例子，它需要從軍用車(chē)輛的未穩(wěn)壓電壓產(chǎn)生穩(wěn)壓的 28V 電源電壓。它使用額定電流高達(dá) 10A 的 MCF-028010-001 濾波器和 HAE100 系列的 100W 電源轉(zhuǎn)換器（圖 1）。

圖 1 : 用于 MIL 觸控螢?zāi)坏?28V/80W 穩(wěn)壓電源

P-DUKE 在應(yīng)用說(shuō)明中提供了所有必要外部元件的清單以及建議的 PCB 布局。當(dāng)遵循本指南時(shí)，即使沒(méi)有對(duì) HF 和 EMI 濾波器技術(shù)的深入了解，也可以進(jìn)行通過(guò)所有測(cè)試的設(shè)計(jì)。圖 2 顯示了該解決方案的 EMI 圖。

圖 2：MIL STD 461G CE102 傳導(dǎo)發(fā)射

MCF-028010-001 與 HAE100-24S28W（Vin（標(biāo)稱值）和滿載條件下的組合）

MIL 應(yīng)用中的另一個(gè)挑戰(zhàn)是寬范圍的輸入電壓，包括嚴(yán)重的瞬態(tài)和尖峰。下表顯示了不同標(biāo)準(zhǔn)的摘要：

根據(jù) MIL-STD-1275，28V 額定電壓在引擎啟動(dòng)期間可能會(huì)降至 16V，甚至在系統(tǒng)初始接合期間會(huì)降至 12V 一秒鐘。 

另一方面，系統(tǒng)還必須能夠處理高達(dá) 100V/50ms 或 80V/100ms 的高能量瞬態(tài)以及高達(dá) ±250V/70μs 或 ±600V/10μs 的尖峰。 

從技術(shù)上講，可以設(shè)計(jì)一個(gè)在12 – 100V 的寬輸入范圍內(nèi)工作的DC/DC電源轉(zhuǎn)換器，但與針對(duì)這些特定需求定制的小得多的濾波器和轉(zhuǎn)換器組合相比，該解決方案會(huì)更大且效率更低。 

此轉(zhuǎn)換器必須能夠在低輸入電壓下工作，P-DUKE 為這些應(yīng)用提供的所有轉(zhuǎn)換器都可以處理低至9V 的輸入電壓，并且設(shè)計(jì)用于在高達(dá)36V 的連續(xù)輸入電壓和50V 的輸入電壓下工作一秒。

P-DUKE 的MCF-028 前端中已整合主動(dòng)電路，可將100V/50ms 和80V/100ms 瞬態(tài)電壓鉗位至僅40 或46V，對(duì)于具有50V 一秒輸入瞬態(tài)能力的P-DUKE 轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)沒(méi)有問(wèn)題。圖 3 顯示了應(yīng)用于 MCF-028010 的輸入瞬態(tài)以及鉗位在 46V 的輸出電壓。 

圖 3：MCF-028010 模組輸入端的瞬態(tài)電壓（左）與鉗位輸出電壓（右）

MCF028 內(nèi)部的附加元件可抑制非常短的 ±250V/70μs 或 ±600V/10μs 尖峰，并與 P-DUKE 轉(zhuǎn)換器結(jié)合使用，滿足所有這些瞬態(tài)規(guī)格。

透過(guò)查看更多應(yīng)用范例，可以看出 P-DUKE 電源組件產(chǎn)品的極端靈活性：

圖 4 是完整的機(jī)載電腦系統(tǒng)的框圖，包括前面提到的觸控螢?zāi)缓褪褂眉訌?qiáng)型 CPU、記憶體和介面組件的典型電腦。

圖4：具有觸控螢?zāi)坏能?chē)載電腦系統(tǒng)的電源解決方案

當(dāng)需要更多功率時(shí)，MCF-028015 可以處理高達(dá) 15A 的電流，并支援負(fù)載高達(dá) 250W 的下游轉(zhuǎn)換器。車(chē)載 SAT 通訊系統(tǒng)就是一個(gè)很好的例子（圖 5）。當(dāng)車(chē)輛在崎嶇的地形中行駛時(shí)，需要強(qiáng)大的馬達(dá)來(lái)不斷地重新定位 SAT 碟形天線。

圖5：車(chē)載行動(dòng)衛(wèi)星通訊系統(tǒng)電源解決方案

MIL設(shè)備不僅必須在非常惡劣的環(huán)境條件下工作，還必須能夠容錯(cuò)許多操作或安裝錯(cuò)誤。電池的反極性連接可能會(huì)損壞整個(gè)系統(tǒng)。同時(shí)打開(kāi)多個(gè)負(fù)載可能會(huì)產(chǎn)生高突波電流并使系統(tǒng)相關(guān)的保險(xiǎn)絲跳脫。 P-DUKE 在設(shè)計(jì) MCF 前端濾波器時(shí)考慮了這些處理錯(cuò)誤，并包括主動(dòng)浪涌電流限制器和反極性保護(hù)以及欠壓和過(guò)壓、短路和過(guò)熱保護(hù)。遠(yuǎn)端開(kāi)/關(guān)功能允許開(kāi)啟和關(guān)閉每個(gè)模組的輸出，從而實(shí)現(xiàn)較大陣列中轉(zhuǎn)換器的受控斜坡上升或斜坡下降。

圖 6 描述了用于無(wú)人機(jī)、地面車(chē)輛、地面和便攜式站以及中央集線器之間通訊的復(fù)雜移動(dòng)網(wǎng)路鏈路解決方案。 P-DUKE的MCF028 前端濾波器和 DC/DC電源轉(zhuǎn)換器系列的不同組合使設(shè)計(jì)能夠快速、輕松地滿足各種電源需求。即使在打開(kāi)連接到接地節(jié)點(diǎn)組中相同電源的各種系統(tǒng)時(shí)，突波電流限制也能確保保險(xiǎn)絲不會(huì)跳脫。濾波器的 EMI效能可確保來(lái)自轉(zhuǎn)換器的雜訊不會(huì)耦合到通訊網(wǎng)路中，從而干擾關(guān)鍵任務(wù)通訊。

Figure 6: 圖 6：P-DUKE 廣泛的前端濾波器和 DC/DC電源轉(zhuǎn)換器可快速輕松地設(shè)計(jì)滿足各種電源需求。

P-DUKE 針對(duì) MIL 市場(chǎng)的產(chǎn)品系列確實(shí)包括具有單輸出和雙輸出電壓的模組，并且電壓超出了其他供應(yīng)商的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。在重新設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，客戶希望使用具有高功率 LED 的 PTZ 攝影機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離夜視，每個(gè)攝影機(jī)需要近 50W 的功率?，F(xiàn)場(chǎng)安裝必須快速、輕松，只需一條電纜即可傳輸電源和訊號(hào)。需要乙太網(wǎng)路供電解決方案，但當(dāng)時(shí) MIL 市場(chǎng)上可用的典型解決方案不允許透過(guò)細(xì)電纜為每個(gè)攝影機(jī)提供 50W 的功率。透過(guò)使用 PoE++（IEEE 802.3bt，50 – 57V 供電電壓）規(guī)格和標(biāo)準(zhǔn) P-DUKE 100W 模組（將 48V 標(biāo)稱輸出調(diào)整 10% 至 52.8V），這項(xiàng)挑戰(zhàn)得到了解決。

監(jiān)控控制系統(tǒng)需要 28V/40W 穩(wěn)壓電源。使用 RED60W 模組很容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)?24V 標(biāo)稱輸出可以調(diào)整 +20%，這對(duì)于標(biāo)準(zhǔn) DC/DC電源轉(zhuǎn)換器模組來(lái)說(shuō)非常不尋常。

一個(gè)250W MCF028 最多可為 4 臺(tái)攝影機(jī)供電，仍有足夠的電力用于監(jiān)控系統(tǒng)（圖 7）

圖 7：使用 MCF 前端濾波器和標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換器的 PoE 攝影機(jī)解決方案，并調(diào)整輸出以實(shí)現(xiàn) 52.8V 和 28V 電壓需求

MIL 應(yīng)用的惡劣環(huán)境條件可能成為設(shè)計(jì)電源解決方案時(shí)的主要挑戰(zhàn)。該系統(tǒng)必須在較寬的溫度范圍內(nèi)可靠地工作，并能承受高沖擊和振動(dòng)應(yīng)力。

設(shè)計(jì)電源轉(zhuǎn)換器和濾波器的工程師面臨標(biāo)準(zhǔn)磁性元件和電容器體積龐大且對(duì)沖擊和振動(dòng)敏感的挑戰(zhàn)。 P-DUKE電源模組使用特殊的扁平輕質(zhì)組件，并與矽膠灌封一起將機(jī)械應(yīng)力降至最低。因此，所有模組均符合 MIL-STD-810F 的沖擊和振動(dòng)要求。

與任何分立設(shè)計(jì)相比，使用模組化方法和這些小型組件的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是尺寸和重量顯著減小。圖 5 范例中使用的所有模組的總重量（便攜式）僅為 52 克，而強(qiáng)大的基地臺(tái)版本則為 185 克。

它通常安裝在密封外殼中，以保護(hù)軍用電子設(shè)備免受水、濕氣和腐蝕性氣體的影響。透過(guò)將模組的底板或頂蓋連接到系統(tǒng)的密封底盤(pán)上可以實(shí)現(xiàn)傳導(dǎo)冷卻（圖 8）。這種結(jié)構(gòu)提供了理想的熱管理選項(xiàng)，可以承受非常高的沖擊振動(dòng)應(yīng)力，并且不需要不可靠的風(fēng)扇。 

圖 8：所有 P-DUKE的電源模組均采用堅(jiān)固的矽膠灌封外殼，可透過(guò)底板 (>100W) 或模組頂部 (10 – 60W) 進(jìn)行冷卻。

這種堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)、最低損耗和低散熱的設(shè)計(jì)、選擇高度可靠的組件以及符合高品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)過(guò)程以及每件產(chǎn)品經(jīng)過(guò) 16 小時(shí)的老化，確保組件在環(huán)境中可靠工作。應(yīng)用。下表顯示了 MCF028 濾波器系列令人印象深刻的 MTBF 值（MIL-HDBK-217F，滿載）：

范例中所示的 DC/DC電源轉(zhuǎn)換器實(shí)作了相似的 MTBF 值。 P-DUKE 擁有滿足極端環(huán)境條件下國(guó)防和鐵路應(yīng)用極其苛刻的可靠性要求的良好記錄。使用這種模組化方法時(shí)，設(shè)計(jì)可以在幾天或幾周內(nèi)完成，而不需要幾個(gè)月的寶貴工程資源。