軍用應用的新動力：MIL-COTS 前端濾波器

設計電源系統的工程師必須符合輸入電壓範圍和瞬態、負載要求、EMI、環境條件、熱管理和可靠性等多項規格。軍事應用要求最高，需要特殊的濾波和保護電路以確保在極端條件下安全運作。以下文章介紹如何解決這些挑戰並展示了一些典型的電源解決方案。

如今，幾乎所有電源轉換器都使用以數百 kHz 頻率進行開關的拓撲，產生一定量的傳導和輻射高頻雜訊。整合到電源轉換器中的簡單 PI 濾波器解決方案可能足以滿足幾瓦的極低功率等級。為消耗數十或數百瓦功率的系統設計 EMI 濾波器可能成為一項真正的挑戰，需要對 HF 設計和正確佈局有豐富的了解。每種轉換器拓撲都會產生不同的高頻雜訊頻譜，這些頻譜也會因應用消耗的功率而變化，且濾波器必須針對所有操作條件進行設計。

在濾波器解決方案最終滿足規格之前，可能需要在專門研究 MIL 標準的昂貴的認可實驗室中進行多次試驗和測試。這個耗時的過程為新專案的整體設計成本增加了大量資金，而這些成本必須透過 MIL 應用中通常較低的數量進行攤提。

由於系統中裝有複雜的電子設備和感測器，軍事設備的空間和重量通常受到限制。高靈敏度的測量或通訊設備可能在功率轉換器附近工作，並且不同系統之間不允許幹擾。因此，MIL 應用的 EMI 規格比其他市場更嚴格，使得濾波器設計更加複雜。

另一個挑戰是極端的環境條件，包括由衝擊和振動引起的高機械應力。 EMI 濾波器所需的磁性元件和電容器是笨重的元件，需要特殊的方法來避免高衝擊和振動對元件或焊接連接造成任何損壞。

當現成的濾波器解決方案可用、滿足所有這些要求並且針對各種DC/DC 電源轉換器量身定制時，為什麼還要花費大量資金和數週寶貴的工程資源呢？ P-DUKE 的 MCF-028 前端濾波器系列設計用於涵蓋典型 28V 國防應用中 45W 至 250W 的功率範圍。它們的濾波器行為符合數百種 DC/DC 電源轉換器的要求，並且透過遵循建議的 PCB 佈局，可以非常輕鬆地設計出一次性通過 EMI 測試的系統，而無需進一步重新設計。

觸控螢幕的 80W 電源解決方案就是一個例子，它需要從軍用車輛的未穩壓電壓產生穩壓的 28V 電源電壓。它使用額定電流高達 10A 的 MCF-028010-001 濾波器和 HAE100 系列的 100W 電源轉換器（圖 1）。

圖 1 : 用於 MIL 觸控螢幕的 28V/80W 穩壓電源

P-DUKE 在應用說明中提供了所有必要外部元件的清單以及建議的 PCB 佈局。當遵循本指南時，即使沒有對 HF 和 EMI 濾波器技術的深入了解，也可以進行通過所有測試的設計。圖 2 顯示了該解決方案的 EMI 圖。
 

圖 2：MIL STD 461G CE102 傳導發射

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

MIL 應用中的另一個挑戰是寬範圍的輸入電壓，包括嚴重的瞬態和尖峰。下表顯示了不同標準的摘要：

根據 MIL-STD-1275，28V 額定電壓在引擎啟動期間可能會降至 16V，甚至在系統初始接合期間會降至 12V 一秒鐘。 

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

從技術上講，可以設計一個在12 – 100V 的寬輸入範圍內工作的DC/DC電源轉換器，但與針對這些特定需求定制的小得多的濾波器和轉換器組合相比，該解決方案會更大且效率更低。 

此轉換器必須能夠在低輸入電壓下工作，P-DUKE 為這些應用提供的所有轉換器都可以處理低至9V 的輸入電壓，並且設計用於在高達36V 的連續輸入電壓和50V 的輸入電壓下工作一秒。

P-DUKE 的MCF-028 前端中已整合主動電路，可將100V/50ms 和80V/100ms 瞬態電壓箝位至僅40 或46V，對於具有50V 一秒輸入瞬態能力的P-DUKE 轉換器來說沒有問題。圖 3 顯示了應用於 MCF-028010 的輸入瞬態以及箝位在 46V 的輸出電壓。 

圖 3：MCF-028010 模組輸入端的瞬態電壓（左）與箝位輸出電壓（右）

MCF028 內部的附加元件可抑制非常短的 ±250V/70μs 或 ±600V/10μs 尖峰，並與 P-DUKE 轉換器結合使用，滿足所有這些瞬態規格。

透過查看更多應用範例，可以看出 P-DUKE 電源組件產品的極端靈活性：

圖 4 是完整的機載電腦系統的框圖，包括前面提到的觸控螢幕和使用加強型 CPU、記憶體和介面組件的典型電腦。

圖4：具有觸控螢幕的車載電腦系統的電源解決方案

當需要更多功率時，MCF-028015 可以處理高達 15A 的電流，並支援負載高達 250W 的下游轉換器。車載 SAT 通訊系統就是一個很好的例子（圖 5）。當車輛在崎嶇的地形中行駛時，需要強大的馬達來不斷地重新定位 SAT 碟形天線。
 

圖5：車載行動衛星通訊系統電源解決方案

MIL設備不僅必須在非常惡劣的環境條件下工作，還必須能夠容錯許多操作或安裝錯誤。電池的反極性連接可能會損壞整個系統。同時打開多個負載可能會產生高突波電流並使系統相關的保險絲跳脫。 P-DUKE 在設計 MCF 前端濾波器時考慮了這些處理錯誤，並包括主動浪湧電流限制器和反極性保護以及欠壓和過壓、短路和過熱保護。遠端開/關功能允許開啟和關閉每個模組的輸出，從而實現較大陣列中轉換器的受控斜坡上升或斜坡下降。

圖 6 描述了用於無人機、地面車輛、地面和便攜式站以及中央集線器之間通訊的複雜移動網路鏈路解決方案。P-DUKE的MCF028 前端濾波器和 DC/DC電源轉換器系列的不同組合使設計能夠快速、輕鬆地滿足各種電源需求。即使在打開連接到接地節點組中相同電源的各種系統時，突波電流限制也能確保保險絲不會跳脫。濾波器的 EMI效能可確保來自轉換器的雜訊不會耦合到通訊網路中，從而乾擾關鍵任務通訊。

Figure 6: 圖 6：P-DUKE 廣泛的前端濾波器和 DC/DC電源轉換器可快速輕鬆地設計滿足各種電源需求。

P-DUKE 針對 MIL 市場的產品系列確實包括具有單輸出和雙輸出電壓的模組，並且電壓超出了其他供應商的標準產品。在重新設計監控系統時，客戶希望使用具有高功率 LED 的 PTZ 攝影機來實現遠距離夜視，每個攝影機需要近 50W 的功率。現場安裝必須快速、輕鬆，只需一條電纜即可傳輸電源和訊號。需要乙太網路供電解決方案，但當時 MIL 市場上可用的典型解決方案不允許透過細電纜為每個攝影機提供 50W 的功率。透過使用 PoE++（IEEE 802.3bt，50 – 57V 供電電壓）規格和標準 P-DUKE 100W 模組（將 48V 標稱輸出調整 10% 至 52.8V），這項挑戰得到了解決。

監控控制系統需要 28V/40W 穩壓電源。使用 RED60W 模組很容易實現，因為 24V 標稱輸出可以調整 +20%，這對於標準 DC/DC電源轉換器模組來說非常不尋常。

一個250W MCF028 最多可為 4 台攝影機供電，仍有足夠的電力用於監控系統（圖 7）

圖 7：使用 MCF 前端濾波器和標準轉換器的 PoE 攝影機解決方案，並調整輸出以實現 52.8V 和 28V 電壓需求

MIL 應用的惡劣環境條件可能成為設計電源解決方案時的主要挑戰。該系統必須在較寬的溫度範圍內可靠地工作，並能承受高衝擊和振動應力。

設計電源轉換器和濾波器的工程師面臨標準磁性元件和電容器體積龐大且對衝擊和振動敏感的挑戰。 P-DUKE電源模組使用特殊的扁平輕質組件，並與矽膠灌封一起將機械應力降至最低。因此，所有模組均符合 MIL-STD-810F 的衝擊和振動要求。

與任何分立設計相比，使用模組化方法和這些小型組件的另一個優點是尺寸和重量顯著減小。圖 5 範例中使用的所有模組的總重量（便攜式）僅為 52 克，而強大的基地台版本則為 185 克。

它通常安裝在密封外殼中，以保護軍用電子設備免受水、濕氣和腐蝕性氣體的影響。透過將模組的底板或頂蓋連接到系統的密封底盤上可以實現傳導冷卻（圖 8）。這種結構提供了理想的熱管理選項，可以承受非常高的衝擊振動應力，並且不需要不可靠的風扇。

圖 8：所有 P-DUKE的電源模組均採用堅固的矽膠灌封外殼，可透過底板 (>100W) 或模組頂部 (10 – 60W) 進行冷卻。

這種堅固的結構、最低損耗和低散熱的設計、選擇高度可靠的組件以及符合高品質標準的生產過程以及每件產品經過 16 小時的老化，確保組件在環境中可靠工作。應用。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）：

範例中所示的 DC/DC電源轉換器實作了相似的 MTBF 值。 P-DUKE 擁有滿足極端環境條件下國防和鐵路應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，設計可以在幾天或幾週內完成，而不需要幾個月的寶貴工程資源。