電源定制設(shè)計(jì)滿足軍事平臺(tái)中獨(dú)特性能要求

電源的定制為設(shè)計(jì)工程師提供了滿足性能規(guī)格的獨(dú)特而明顯的優(yōu)勢(shì)。無(wú)論是節(jié)省機(jī)箱中的卡插槽、減少所需的電源數(shù)量，還是滿足獨(dú)特的 EMC 要求，定制都可以降低總系統(tǒng)成本和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，從而將增強(qiáng)的功能迅速交到作戰(zhàn)人員手中。它還提供了支持國(guó)防部 （DoD） 開放架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)的途徑。當(dāng)從戰(zhàn)略上著手時(shí)，定制可以成為滿足需求的一種經(jīng)濟(jì)高效且低風(fēng)險(xiǎn)的方法。

定義設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的好處很多，特別是在支持開放式架構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，這些設(shè)計(jì)旨在降低生命周期成本和開發(fā)時(shí)間。然而，偏離設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的能力對(duì)于工程師來(lái)說(shuō)可能是無(wú)價(jià)的幫助，以滿足軍事平臺(tái)中普遍存在的獨(dú)特性能要求。讓我們看一下這種方法在實(shí)踐中的一些實(shí)際示例。

示例一：改變輸出電壓和電流

一位工程師希望使用具有基準(zhǔn)功能的商用現(xiàn)貨 （COTS） 產(chǎn)品，但該規(guī)范需要特定的輸出電壓和電流水平，以便通過(guò)定制背板設(shè)計(jì)有效地支持機(jī)箱內(nèi)堅(jiān)固耐用的單板計(jì)算機(jī) （SBC） 和存儲(chǔ)卡。工程師不應(yīng)接受次優(yōu)的COTS產(chǎn)品并犧牲其現(xiàn)有設(shè)計(jì)的功能或性能，而應(yīng)要求與電源制造商的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)交談。在了解目標(biāo)規(guī)格后，制造商的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)迅速實(shí)施必要的更改，以支持這些外圍設(shè)備的集成，從而提供繼續(xù)符合絕大多數(shù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的定制電源。調(diào)整輸出以滿足客戶獨(dú)特的電流和電壓要求是一種低成本、低風(fēng)險(xiǎn)和快速的解決方案，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)性能。

利用成熟設(shè)計(jì)的成熟性能，這種方法使工程師能夠在首次嘗試時(shí)成功獲得系統(tǒng)認(rèn)證，并利用獨(dú)特的背板設(shè)計(jì)。雖然 COTS 產(chǎn)品占解決方案的 90%，但根據(jù)該客戶的需求快速定制產(chǎn)品最終滿足了作戰(zhàn)人員的獨(dú)特需求，而無(wú)需對(duì)系統(tǒng)、成本或交付時(shí)間表進(jìn)行重大更改。美國(guó)國(guó)防部 （DoD） 模塊化開放系統(tǒng)方法 （MOSA） 計(jì)劃的意圖可以通過(guò)與傳感器開放系統(tǒng)架構(gòu) （SOSA） 一致的系統(tǒng)設(shè)計(jì)等架構(gòu)來(lái)解決。

為了進(jìn)一步說(shuō)明這一點(diǎn)，修改成熟的設(shè)計(jì)以在這三路輸出上提供更高的電壓和電流限制，并偏離VITA標(biāo)準(zhǔn)，確保外殼內(nèi)不需要第二個(gè)電源。這種方法不僅節(jié)省了第二個(gè)電源的成本，而且還節(jié)省了一個(gè)開放的卡槽，以支持未來(lái)產(chǎn)品增強(qiáng)功能和功能的集成。這是一個(gè)很好的例子，說(shuō)明定制如何不需要被視為風(fēng)險(xiǎn)或昂貴，以及如何堅(jiān)持 VITA VPX 標(biāo)準(zhǔn)以確保系統(tǒng)級(jí)別的開放式架構(gòu)可以顯著降低最終用戶組件的生命周期成本和開發(fā)時(shí)間而不是系統(tǒng)要求。

標(biāo)準(zhǔn)化是一種行業(yè)趨勢(shì)，為大大小小的國(guó)防計(jì)劃的成本和進(jìn)度提供了積極的結(jié)果。組件級(jí)規(guī)格和系統(tǒng)級(jí)規(guī)格之間的良好平衡是任何工程工作的關(guān)鍵方面。組件級(jí)規(guī)范的一個(gè)很好的例子是定義電連接器參數(shù)（包括電壓和電流水平）的 VITA 62 VPX 標(biāo)準(zhǔn)。MIL-STD-1275等標(biāo)準(zhǔn)可用于組件級(jí)或系統(tǒng)級(jí)，以控制軍用地面平臺(tái)中的28 VDC電力。

可以說(shuō)，業(yè)界在組件和系統(tǒng)級(jí)別都欣賞和重視標(biāo)準(zhǔn)。但是，通常需要偏離標(biāo)準(zhǔn)才能100%滿足組件級(jí)和系統(tǒng)級(jí)要求。戰(zhàn)場(chǎng)上的每個(gè)系統(tǒng)都帶來(lái)了一系列獨(dú)特的挑戰(zhàn)，迫使設(shè)計(jì)工程師做出影響成本、進(jìn)度和風(fēng)險(xiǎn)的艱難決策。滿足開放式架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)的定制可以在經(jīng)濟(jì)高效且計(jì)劃驅(qū)動(dòng)的環(huán)境中完成。

示例二：獨(dú)特的機(jī)械和熱管理挑戰(zhàn)

在此示例中，工程師的要求包括需要將冗余交流電源連接器集成到 3U VPX 電源中。與前面的示例相比，此因素使基準(zhǔn) VPX 電源的定制更進(jìn)一步，定制了機(jī)械和散熱設(shè)計(jì)功能。

在這種情況下，自定義工作同樣可以降低風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)在系統(tǒng)級(jí)別合并重要功能。與以前一樣，該項(xiàng)目首先由工程師確定與他們正在尋找的規(guī)格非常匹配的成熟 COTS 解決方案，然后與制造商的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)合作，討論與該產(chǎn)品相比，他們要求的獨(dú)特規(guī)格。在本例中，機(jī)械外殼可以圍繞電路板快速設(shè)計(jì)，以滿足系統(tǒng)級(jí)冗余輸入電源要求（符合MIL-STD-38999的第二個(gè)連接器）。這種方法不僅可以滿足冗余交流電源連接器的要求，還可以改善熱管理，同時(shí)確保其他 COTS VPX 外設(shè)卡的集成。

通過(guò)與制造商的密切溝通和協(xié)作，在60天內(nèi)完成上述設(shè)計(jì)修改并快速開發(fā)和測(cè)試原型是現(xiàn)實(shí)的。在本練習(xí)結(jié)束時(shí)，設(shè)計(jì)評(píng)審為工程師提供了有關(guān)修改后的 VPX 電源的足夠信心和數(shù)據(jù)，以便開始對(duì)外殼和背板進(jìn)行設(shè)計(jì)修改，以適應(yīng)添加的連接器。從滿足大部分電源性能規(guī)格的現(xiàn)有成熟 MIL-VPX 產(chǎn)品開始，這是一個(gè)嚴(yán)肅且計(jì)劃驅(qū)動(dòng)的決策，使工程師能夠獲得滿足其要求的 100% 解決方案。

考慮到我們之前的示例，VPX 外形規(guī)格 SBC 需要 360 瓦的功率，超過(guò)了 VS2 連接器觸點(diǎn)的 VITA 62 標(biāo)準(zhǔn)。雖然偏離了 VITA 電氣標(biāo)準(zhǔn)，但所需的 3U 機(jī)械外形不會(huì)改變，從而確保開放式架構(gòu)系統(tǒng)并保留 VPX 外形的優(yōu)勢(shì)。

此外，遵循與 SOSA 一致的設(shè)計(jì)實(shí)踐可確保能夠最大限度地利用外殼內(nèi)的 COTS 組件 - 兩全其美。在系統(tǒng)級(jí)別，可以維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)化的機(jī)箱和背板，同時(shí)使用外圍設(shè)備，從而降低總生命周期成本并最大限度地提高標(biāo)準(zhǔn)化外殼設(shè)計(jì)的預(yù)期性質(zhì)。通過(guò)定制標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，可以快速且具有成本效益的方式完成支持組件級(jí)和系統(tǒng)級(jí)要求，從而顯著降低風(fēng)險(xiǎn)并使項(xiàng)目與現(xiàn)有交付和成本預(yù)測(cè)保持一致。

示例三：EMC和標(biāo)準(zhǔn)化

在不斷發(fā)展的國(guó)防電子領(lǐng)域，更高的功率密度、不斷增加的電流和更快的開關(guān)，EMC仍然是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員最具挑戰(zhàn)性的工作之一。現(xiàn)代電源開關(guān)的開關(guān)速度明顯更高。這意味著電壓和電流波形的上升和下降時(shí)間要短得多，這是開關(guān)電源設(shè)計(jì)中許多電磁干擾（EMI）問(wèn)題的根本原因。

因此，解決一系列EMI挑戰(zhàn)的解決方案在電源設(shè)計(jì)方面需要保持敏捷性和創(chuàng)造性。另一方面，標(biāo)準(zhǔn)化鼓勵(lì)可重復(fù)性并抑制變革。為了解決EMI問(wèn)題，定制是設(shè)計(jì)工程師工具箱中的關(guān)鍵要素，特別是為了符合國(guó)防部保持開放式架構(gòu)方法的意圖。

為了鑒定電源，它與線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)（LISN）進(jìn)行級(jí)聯(lián)測(cè)試，以標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試結(jié)果并模擬為測(cè)試項(xiàng)目供電的電纜的運(yùn)行。通常，安裝在小型平臺(tái)中的電源允許使用低電感LISN進(jìn)行測(cè)試，因此它們不會(huì)變得不穩(wěn)定和振蕩。

但是，在長(zhǎng)電纜敷設(shè)的情況下，必須使用標(biāo)準(zhǔn)的50 μH。在此示例中，工程師確定了一個(gè) COTS 350 瓦 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，以集成到其機(jī)載應(yīng)用中。在與制造商的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)合作后，工程師指出，當(dāng)通過(guò)50 μH LISN連接到電源線時(shí)，必須測(cè)試轉(zhuǎn)換器是否符合MIL-STD-461F。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)通過(guò)集成更大的大容量電容來(lái)修改現(xiàn)有的 COTS 產(chǎn)品設(shè)計(jì)，以幫助支持 50 μH 電感要求。同樣，偏離 VITA 62 電氣標(biāo)準(zhǔn)以快速滿足獨(dú)特的 EMC 要求，與制造商設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的密切合作使工程師能夠確定計(jì)劃友好、低風(fēng)險(xiǎn)的解決方案。

使用標(biāo)準(zhǔn)電源為非標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載供電

標(biāo)準(zhǔn) VPX 機(jī)箱通常被集成商用作各種應(yīng)用的外殼，包括雷達(dá)、電子戰(zhàn)、通信等。每個(gè)應(yīng)用程序都有自己獨(dú)特的一組性能和操作要求。在此示例中，工程師需要一個(gè) VPX 電源來(lái)饋送雷達(dá)負(fù)載，該負(fù)載由數(shù)字電路（信號(hào)調(diào)理器）、模擬低功耗電路（前置放大器）和模擬高功率電路（功率放大器）組成。外形尺寸和連接器是標(biāo)準(zhǔn)的 VITA 62 和 46，但輸出電壓和電流限制完全不同，具有奇數(shù)電壓電平，例如 GPS 板為 6 VDC，寬帶放大器為 5.5 VDC，功率放大器為 28 VDC。不僅電壓值不標(biāo)準(zhǔn)化，數(shù)字和模擬輸出的返回路徑也需要彼此隔離。

利用現(xiàn)有的COTS產(chǎn)品，制造商的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能夠根據(jù)要求定制輸出電壓，并將輸出分成兩個(gè)隔離的組。這種設(shè)計(jì)方法可幫助客戶在單個(gè) VPX 機(jī)箱中集成電源解決方案，實(shí)現(xiàn)完整的雷達(dá)設(shè)計(jì)，所有這些都可以在從投入到交付的不到三個(gè)月的短時(shí)間內(nèi)完成，并與最新的開放式架構(gòu)采購(gòu)指令（如 SOSA 和 MOSA）保持一致。

審核編輯：郭婷