军用应用的新动力：MIL-COTS 前端滤波器

• 关键词：博大,前端滤波器
• 摘要：设计电源系统的工程师必须符合输入电压范围和瞬态、负载要求、EMI、环境条件、热管理和可靠性等多项规格。军事应用要求最高，需要特殊的滤波和保护电路以确保在极端条件下安全运作。以下文章介绍如何解决这些挑战并展示了一些典型的电源解决方案。

设计电源系统的工程师必须符合输入电压范围和瞬态、负载要求、EMI、环境条件、热管理和可靠性等多项规格。军事应用要求最高，需要特殊的滤波和保护电路以确保在极端条件下安全运作。以下文章介绍如何解决这些挑战并展示了一些典型的电源解决方案。

如今，几乎所有电源转换器都使用以数百 kHz 频率进行开关的拓扑，产生一定量的传导和辐射高频杂讯。整合到电源转换器中的简单 PI 滤波器解决方案可能足以满足几瓦的极低功率等级。为消耗数十或数百瓦功率的系统设计 EMI 滤波器可能成为一项真正的挑战，需要对 HF 设计和正确布局有丰富的了解。每种转换器拓扑都会产生不同的高频杂讯频谱，这些频谱也会因应用消耗的功率而变化，且滤波器必须针对所有操作条件进行设计。

在滤波器解决方案最终满足规格之前，可能需要在专门研究 MIL 标准的昂贵的认可实验室中进行多次试验和测试。这个耗时的过程为新专案的整体设计成本增加了大量资金，而这些成本必须透过 MIL 应用中通常较低的数量进行摊提。

由于系统中装有复杂的电子设备和感测器，军事设备的空间和重量通常受到限制。高灵敏度的测量或通讯设备可能在功率转换器附近工作，并且不同系统之间不允许干扰。因此，MIL 应用的 EMI 规格比其他市场更严格，使得滤波器设计更加复杂。

另一个挑战是极端的环境条件，包括由冲击和振动引起的高机械应力。 EMI 滤波器所需的磁性元件和电容器是笨重的元件，需要特殊的方法来避免高冲击和振动对元件或焊接连接造成任何损坏。

当现成的滤波器解决方案可用、满足所有这些要求并且针对各种DC/DC 电源转换器量身定制时，为什么还要花费大量资金和数周宝贵的工程资源呢？ P-DUKE 的 MCF-028 前端滤波器系列设计用于涵盖典型 28V 国防应用中 45W 至 250W 的功率范围。它们的滤波器行为符合数百种 DC/DC 电源转换器的要求，并且透过遵循建议的 PCB 布局，可以非常轻松地设计出一次性通过 EMI 测试的系统，而无需进一步重新设计。

触控萤幕的 80W 电源解决方案就是一个例子，它需要从军用车辆的未稳压电压产生稳压的 28V 电源电压。它使用额定电流高达 10A 的 MCF-028010-001 滤波器和 HAE100 系列的 100W 电源转换器（图 1）。

图 1 : 用于 MIL 触控萤幕的 28V/80W 稳压电源

P-DUKE 在应用说明中提供了所有必要外部元件的清单以及建议的 PCB 布局。当遵循本指南时，即使没有对 HF 和 EMI 滤波器技术的深入了解，也可以进行通过所有测试的设计。图 2 显示了该解决方案的 EMI 图。

图 2：MIL STD 461G CE102 传导发射

MCF-028010-001 与 HAE100-24S28W（Vin（标称值）和满载条件下的组合）

MIL 应用中的另一个挑战是宽范围的输入电压，包括严重的瞬态和尖峰。下表显示了不同标准的摘要：

根据 MIL-STD-1275，28V 额定电压在引擎启动期间可能会降至 16V，甚至在系统初始接合期间会降至 12V 一秒钟。 

另一方面，系统还必须能够处理高达 100V/50ms 或 80V/100ms 的高能量瞬态以及高达 ±250V/70μs 或 ±600V/10μs 的尖峰。 

从技术上讲，可以设计一个在12 – 100V 的宽输入范围内工作的DC/DC电源转换器，但与针对这些特定需求定制的小得多的滤波器和转换器组合相比，该解决方案会更大且效率更低。 

此转换器必须能够在低输入电压下工作，P-DUKE 为这些应用提供的所有转换器都可以处理低至9V 的输入电压，并且设计用于在高达36V 的连续输入电压和50V 的输入电压下工作一秒。

P-DUKE 的MCF-028 前端中已整合主动电路，可将100V/50ms 和80V/100ms 瞬态电压钳位至仅40 或46V，对于具有50V 一秒输入瞬态能力的P-DUKE 转换器来说没有问题。图 3 显示了应用于 MCF-028010 的输入瞬态以及钳位在 46V 的输出电压。 

图 3：MCF-028010 模组输入端的瞬态电压（左）与钳位输出电压（右）

MCF028 内部的附加元件可抑制非常短的 ±250V/70μs 或 ±600V/10μs 尖峰，并与 P-DUKE 转换器结合使用，满足所有这些瞬态规格。

透过查看更多应用范例，可以看出 P-DUKE 电源组件产品的极端灵活性：

图 4 是完整的机载电脑系统的框图，包括前面提到的触控萤幕和使用加强型 CPU、记忆体和介面组件的典型电脑。

图4：具有触控萤幕的车载电脑系统的电源解决方案

当需要更多功率时，MCF-028015 可以处理高达 15A 的电流，并支援负载高达 250W 的下游转换器。车载 SAT 通讯系统就是一个很好的例子（图 5）。当车辆在崎岖的地形中行驶时，需要强大的马达来不断地重新定位 SAT 碟形天线。

图5：车载行动卫星通讯系统电源解决方案

MIL设备不仅必须在非常恶劣的环境条件下工作，还必须能够容错许多操作或安装错误。电池的反极性连接可能会损坏整个系统。同时打开多个负载可能会产生高突波电流并使系统相关的保险丝跳脱。 P-DUKE 在设计 MCF 前端滤波器时考虑了这些处理错误，并包括主动浪涌电流限制器和反极性保护以及欠压和过压、短路和过热保护。远端开/关功能允许开启和关闭每个模组的输出，从而实现较大阵列中转换器的受控斜坡上升或斜坡下降。

图 6 描述了用于无人机、地面车辆、地面和便携式站以及中央集线器之间通讯的复杂移动网路链路解决方案。 P-DUKE的MCF028 前端滤波器和 DC/DC电源转换器系列的不同组合使设计能够快速、轻松地满足各种电源需求。即使在打开连接到接地节点组中相同电源的各种系统时，突波电流限制也能确保保险丝不会跳脱。滤波器的 EMI效能可确保来自转换器的杂讯不会耦合到通讯网路中，从而干扰关键任务通讯。

Figure 6: 图 6：P-DUKE 广泛的前端滤波器和 DC/DC电源转换器可快速轻松地设计满足各种电源需求。

P-DUKE 针对 MIL 市场的产品系列确实包括具有单输出和双输出电压的模组，并且电压超出了其他供应商的标准产品。在重新设计监控系统时，客户希望使用具有高功率 LED 的 PTZ 摄影机来实现远距离夜视，每个摄影机需要近 50W 的功率。现场安装必须快速、轻松，只需一条电缆即可传输电源和讯号。需要乙太网路供电解决方案，但当时 MIL 市场上可用的典型解决方案不允许透过细电缆为每个摄影机提供 50W 的功率。透过使用 PoE++（IEEE 802.3bt，50 – 57V 供电电压）规格和标准 P-DUKE 100W 模组（将 48V 标称输出调整 10% 至 52.8V），这项挑战得到了解决。

监控控制系统需要 28V/40W 稳压电源。使用 RED60W 模组很容易实现，因为 24V 标称输出可以调整 +20%，这对于标准 DC/DC电源转换器模组来说非常不寻常。

一个250W MCF028 最多可为 4 台摄影机供电，仍有足够的电力用于监控系统（图 7）

图 7：使用 MCF 前端滤波器和标准转换器的 PoE 摄影机解决方案，并调整输出以实现 52.8V 和 28V 电压需求

MIL 应用的恶劣环境条件可能成为设计电源解决方案时的主要挑战。该系统必须在较宽的温度范围内可靠地工作，并能承受高冲击和振动应力。

设计电源转换器和滤波器的工程师面临标准磁性元件和电容器体积庞大且对冲击和振动敏感的挑战。 P-DUKE电源模组使用特殊的扁平轻质组件，并与矽胶灌封一起将机械应力降至最低。因此，所有模组均符合 MIL-STD-810F 的冲击和振动要求。

与任何分立设计相比，使用模组化方法和这些小型组件的另一个优点是尺寸和重量显著减小。图 5 范例中使用的所有模组的总重量（便携式）仅为 52 克，而强大的基地台版本则为 185 克。

它通常安装在密封外壳中，以保护军用电子设备免受水、湿气和腐蚀性气体的影响。透过将模组的底板或顶盖连接到系统的密封底盘上可以实现传导冷却（图 8）。这种结构提供了理想的热管理选项，可以承受非常高的冲击振动应力，并且不需要不可靠的风扇。 

图 8：所有 P-DUKE的电源模组均采用坚固的矽胶灌封外壳，可透过底板 (>100W) 或模组顶部 (10 – 60W) 进行冷却。

这种坚固的结构、最低损耗和低散热的设计、选择高度可靠的组件以及符合高品质标准的生产过程以及每件产品经过 16 小时的老化，确保组件在环境中可靠工作。应用。下表显示了 MCF028 滤波器系列令人印象深刻的 MTBF 值（MIL-HDBK-217F，满载）：

范例中所示的 DC/DC电源转换器实作了相似的 MTBF 值。 P-DUKE 拥有满足极端环境条件下国防和铁路应用极其苛刻的可靠性要求的良好记录。使用这种模组化方法时，设计可以在几天或几周内完成，而不需要几个月的宝贵工程资源。