Преобразование постоянного тока во вспомогательный источник питания в высоконадежных военных системах ветроники

Преобразователи постоянного тока обеспечивают дополнительное питание для систем ветроники, но при этом могут подвергаться высоким электрическим нагрузкам и воздействию окружающей среды.

Военные транспортные средства все чаще оснащаются электроникой для систем управления, связи, навигации и отображения информации. Преобразователи постоянного тока обеспечивают дополнительное питание этих систем, но при этом могут подвергаться высоким нагрузкам и воздействиям окружающей среды. В этой статье описываются уровни напряжения, определенные общепринятыми стандартами, и определяются технические характеристики, которым должны соответствовать преобразователи постоянного тока.

Электроника в автомобилях получила такое широкое распространение, что современный автомобиль стали сравнивать с беспроводным центром обработки данных на колесах. Военная техника следует тенденции развития автомобильной электроники (ветроники), но с другим акцентом: как и в автомобилях, необходимы управление двигателем, дисплеи и навигация, но существуют дополнительные требования к связи, управлению вооружением, зондированию и сбору данных, поскольку цифровые беспроводные сети подключаются к другим транспортным средствам и стационарным системам. Даже искусственный интеллект все чаще используется для анализа ситуации и автономного управления, повышая эффективность миссии и снижая риск для персонала. Как и в случае с легковыми автомобилями, военная техника отличается высокой надежностью, малым весом и стоимостью.

К сожалению, движущими силами рынка ветроники являются недавний рост числа глобальных конфликтов, а также программы модернизации транспортных средств, чтобы они соответствовали требованиям конкурирующих сил и использовали преимущества растущих возможностей электронных систем. Аналитики компании Allied Market Research прогнозируют, что к 2030 году объем мирового рынка ветроники составит 6,5 млрд. долларов по сравнению с 4,2 млрд. долларов в 2020 году, таким образом, среднегодовой темп роста в среднем составит 4,67%.

Рассматривается возможность перехода на электрические двигатели в военной технике, но, как правило, только в виде гибридных вариантов, а дизельные тяговые двигатели по-прежнему остаются практичным вариантом.

Разработка новых военных транспортных средств всегда идет медленно, требуется тщательное тестирование и подтверждение соответствия различным нормам, поэтому существующие платформы часто модернизируются параллельно. Таким образом, новые электронные системы, как правило, должны быть совместимы с устаревшим оборудованием и существующей бортовой сетью электропитания и распределения. В то же время предпринимаются меры по снижению затрат за счет использования готовых коммерческих продуктов, отвечающих стандартным техническим требованиям, а не разработанных по индивидуальному заказу, что обеспечивает гарантированную совместимость и взаимозаменяемость на различных платформах транспортных средств.

Стандарты шин для электропитания ветроники

Номинальное напряжение аккумуляторной батареи в военной технике западных стран обычно составляет 12 В или 24/28 В постоянного тока, и двумя основными используемыми стандартами являются британский стандарт DEF-STAN 61-5, Редакция 7 от марта 2020 г., и более короткий американский стандарт MIL-STAND 1275, Редакция F от сентября 2022 г. Британский стандарт распространяется на 12-вольтовые и 24-вольтовые системы, в то время как американская версия рассчитана только на 28 В. Стандарты описывают ожидаемые колебания напряжения, включая номинальные диапазоны, резкие скачки напряжения и его падения, и любое подключенное оборудование должно выдерживать их без повреждений, хотя в некоторых случаях функциональность может быть временно нарушена – например, в стандарте 61-5 во время падения напряжения, вызванного запуском двигателя. Также необходима устойчивость к дополнительным колебаниям и соединениям обратной полярности.

Пределы нормального рабочего напряжения питания

Стандарт MIL-STD 1275/F определяет рабочий диапазон напряжения питания 28 В постоянного тока с предельными значениями 20 В и 33 В и с понижением напряжения до 16 В после понижения первоначального напряжения при включении двигателя до 12 В. Уровни и временные рамки показаны на рисунке 1.

Рис. 1: Диапазон подачи постоянного тока на военные транспортные средства в соответствии со стандартом MIL-STD 1275/F

Эквивалентный график для стандарта 61-5 показан на рисунке 2. Нормальный рабочий диапазон для номинального напряжения 12 В составляет 9-19 В, или 18-36 В для 12-вольтовых систем. Обратите внимание, что в других местах стандарта это напряжение указано как 19-36 В, что может привести к путанице. В стандарте указаны максимальное и минимальное напряжения на пять минут, но практически любое подключенное оборудование должно выдерживать это напряжение постоянно.

 Рис. 2: Диапазон подачи постоянного тока на военные транспортные средства в соответствии со стандартом 61-5 для систем напряжением 12 В и 24 В

Как правило, оборудованию в автомобилях требуется регулируемое питание, несколько более низкое напряжение, без помех, поэтому используются преобразователи постоянного тока с широким диапазоном входных сигналов и фиксированными выходами. Чтобы соответствовать американскому стандарту, преобразователи также должны работать нормально и без ухудшения качества при снижении напряжения до 12 В. В соответствии со стандартом Великобритании это значение должно составлять 18 В для питания напряжением 24 В и 9 В для питания напряжением 12 В. Для соответствия обоим стандартам подойдет преобразователь постоянного тока с постоянным входным напряжением в диапазоне 9-36 В. Такие компоненты, как преобразователь постоянного тока MGDM-500 от Gaia Converter, являются идеальными и, благодаря своей способности работать при напряжении до 8,5 В, также будут продолжать функционировать без перебоев во время фазы запуска по стандарту DEF-STAN 61-5, при этом даже уровень напряжения 8 В в течение 50 секунд покрывается проектным запасом, хотя и не гарантируется. Изолированный преобразователь MGDM-500 рассчитан на мощность 500 Вт при постоянном напряжении постоянного тока 12, 15, 24, 28 или 48 В, а в ассортименте продукции также доступны версии меньшей мощности – от 4 Вт и выше.

Также наблюдаются скачки высокого напряжения и переходные процессы

С учетом стандарта MIL-STD 1275/F требуется устойчивость оборудования к кратковременным скачкам напряжения с максимальными пиковыми значениями до ±250 В в течение 70 с, линейно снижающимися до значений от 100 В до 18 В в течение 1 мс. Максимальная энергия любого одиночного импульса составляет 200 МДж (рис. 3).

 Рис. 3: Кратковременные скачки на шинах питания транспортного средства в соответствии со стандартом MIL-STD 1275/F

Также могут наблюдаться мощные скачки напряжения до 100 В в течение 50 мс, линейно снижающиеся до >33 В в течение 500 мс, в то время как провалы до 18 В могут длиться 500 мс, снижаясь до <20 В в течение 600 мс (рис. 4).

 Рис. 4: Скачки напряжения на шинах электропитания транспортного средства в соответствии со стандартом MIL-STD 1275/F

Согласно стандарту, скачки напряжения также могут присутствовать при напряжении от пика до максимума ±4 В в диапазоне от 30 Гц до 5 кГц.

В стандарте 61-5, часть 6, определены кратковременные повторяющиеся переходные процессы напряжением 100/-150 В для 12-вольтовых систем и 200/-200 В для 24-вольтовых систем. Они длятся 100 нс и повторяются каждые 100 мкс пакетами по 10 мс с перерывами в 90 мс. Точные формы волн описаны в стандарте. Длительные переходные процессы, согласно британскому стандарту, могут быть продолжительностью 50 мс и составлять до 20 В для 12-вольтовых систем и до 40 В для 24-вольтовых систем.

Особенно важным требованием является устойчивость к аварийным сбросам нагрузки – скачкам напряжения, возникающим при внезапном отключении высокоточных нагрузок. В стандарте Великобритании рассматриваются две ситуации: платформа без контроля сбросов нагрузки и платформа с централизованной системой подавления сброса нагрузки. В худшем случае подключенное оборудование воспринимает напряжение 202 В постоянного тока в 24-вольтовой системе (101 В постоянного тока в 12-вольтовых системах) в течение 400/350 мс соответственно, при низком сопротивлении источника 8 и 4 Ом соответственно. Однако стандарт допускает, что оборудование может выходить из строя до тех пор, пока оно не будет повреждено и при необходимости может быть восстановлено после события с помощью ручного вмешательства.

Подключенное оборудование не должно быть повреждено при обратном подключении питания и не должно потреблять больший ток в обратном направлении, чем «нормальное» значение при подключении с соблюдением правильной полярности.

Требования к электромагнитной совместимости

Для обеспечения электромагнитной совместимости в США применяется стандарт MIL-STD 461, Редакция G. В стандарте определены пределы выбросов и чувствительности для различных областей применения. Например, в категории «наземные, армейские» будут уместны следующие требования:

• CE 102: Кондуктивное излучение – от 10 кГц до 10 МГц

• CS 101: Чувствительность – от 30 Гц до 150 кГц

• CS 114: Чувствительность – от 10 кГц до 400 МГц

• CS 115: Чувствительность – импульсы с широкой рабочей зоной

• CS 116: Чувствительность – затухающие синусоидальные переходные процессы

В стандарте 61-5 указано, что оборудование должно соответствовать требованиям стандарта 59-411, части 1, 3 и 4, класс обслуживания A, если не оговорено иное.

Нельзя ожидать, что преобразователи постоянного тока, подключенные к источнику питания автомобиля, будут устойчивы к указанным скачкам напряжения, поэтому им обычно предшествуют фильтр и формирователь сигнала, которые могут питать несколько нижестоящих модулей. Электромагнитный фильтр L-C позволит обеспечить соответствие стандартам по высокочастотному излучению и помехозащищенности, а также будет прозрачен для изменений номинальных значений и скачков напряжения, в то же время в некоторой степени подавляя резкие скачки напряжения. Примером может служить деталь Gaia FGDS-35A-50V, рассчитанная на 35 А постоянного тока, в корпусе для монтажа на плате размером 41 × 27 × 16,7 мм. В этом случае формирователь сигнала может обеспечить регулирование переходных процессов и скачков напряжения до безопасных для преобразователей уровней или даже отключить подачу питания на время. Формирователь сигнала, как правило, также оснащен последовательными переключателями с низкими потерями для обеспечения защиты от обратной полярности.

Примером модуля, подходящего для данного применения, является Gaia LGDS-600P. Модуль, установленный на плате, рассчитан на выходную мощность 600 Вт и имеет размеры всего 40,7 × 48,5 × 12,7 мм и способен выдерживать любые из указанных скачков напряжения максимум до 38 В на своем выходе, что соответствует номиналу перенапряжения преобразователей постоянного тока Gaia DC/DC. Напряжение до 202 В постоянного тока ограничено, в то время как более высокие уровни приводят к временному отключению формирователя сигнала, когда уровень падает, и автоматическому повторному подключению. Небольшие конденсаторы на выходе формирователя сигнала обеспечивают бесперебойную работу в течение длительного времени. Модуль также включает в себя дополнительную функциональность, позволяющую синхронизировать нижестоящие преобразователи с одним тактовым сигналом, при этом доступны две противофазы для минимизации перебоев входного тока и электромагнитных помех. Блокировка от пониженного напряжения срабатывает при низком входном напряжении, при этом имеется предупреждающий сигнал, позволяющий при необходимости переключить выход на резервный источник.

Пример системы распределения постоянного тока

На рисунке 5 показан пример системы, соответствующей стандартам MIL-STD 1275/F и MIL-STD 461. MGDM-500 представляет собой устройство с одним выходом, но может быть заменено несколькими маломощными модулями из той же серии MGDM для обеспечения диапазона взаимно изолированных уровней постоянного тока любой полярности. Предельная мощность определяется номиналом электромагнитных фильтров в 35 А и максимальной мощностью шины формирователя сигнала в 600 Вт.

Рис. 5: Система преобразователей постоянного тока мощностью 500 Вт, соответствующая стандартам MIL-STD 1275/F и MIL-STD 461, подходящая для применения в электронике          

Физическая среда ветроники

Электронное оборудование на военных автомобилях должно работать в сложных условиях, при больших перепадах температур, сильных ударах и вибрации, при слабом воздушном потоке или его полном отсутствии, а также при воздействии влажности и загрязняющих веществ. Поэтому преобразователи постоянного тока, подходящие для данного применения, должны быть надежными, иметь высокую наработку на отказ и длительный срок службы. Хорошим примером такой детали является MGDM-500 от Gaia. Выполненная в форме половины кирпича, она герметизирована для физической защиты и может монтироваться на холодную стену для теплоотвода. Деталь соответствует стандарту MIL-STD 810G для испытаний на удары, вибрацию, неровности, высоту, влажность и соленую атмосферу, а также стандарту MIL-STD-202G для испытаний на температурные удары и циклические изменения, а также на влагостойкость. Согласно стандарту MIL-HDBK 217F, наработка на отказ составляет более 1,7 млн. часов при температуре 40°C. Устройство MGDM-500 работает при температуре корпуса от -40°C до 105°C и полностью защищено от перегрузки, перегревания и короткого замыкания. Напряжение изоляции составляет 1500 В постоянного тока.

Эффективность и безотказность работы военной техники в значительной степени зависят от встроенной системы ветроники. Преобразователи постоянного тока, генерирующие соответствующие силовые линии, должны быть эффективными, гибкими, масштабируемыми и надежными, чтобы соответствовать возрастающему использованию открытых архитектур и коммерческих программных продуктов, а также соответствовать военным стандартам. Такие производители, как Gaia Converter, предлагают комплексное решение с широким спектром совместимых модулей постоянного тока, соответствующими фильтрами электромагнитных помех и стабилизаторами шин.