军事力量的 COTS，无隐性成本

发布时间：2025-7-28 17:58 发布者：eechina

作者：Christian Jonglas，GAIA Converter 技术支持经理

可靠性和性能是国防应用电子系统的绝对要求。该领域的工程师传统上采用高度定制的设计来满足这些需求，这些设计由军用规格的分立元件组装而成，因此需要经过漫长而昂贵的流程才能生产出定制电源。

然而，欧洲和美国等地的政府鼓励军事用户在采购时优先考虑成本效益，并尽可能使用商用现货 (COTS) 产品。

对于用于军事或航空电子应用的 DC/DC 转换器，COTS 路径为最终用户带来了诸多优势，主要是因为它提供了标准化、即用型、面向多种应用的产品。使用量产的 COTS 器件经济高效，可提供可配置为分布式或集中式电源形式的多功能组件。它们适用于各种不同的应用并经过认证，与定制方法相比，可显著缩短开发时间。

然而，简单地将 COTS 转换器用于航空电子设备和军用电源需要进行仔细的分析，因为存在特定的障碍和要求需要满足。

COTS 问题

那么，让我们来看看高可靠性军用商用现货 (COTS) 的特殊要求。这些问题主要分为四类：输入和效率要求；电磁兼容性；环境性能；以及军用和航空电子系统的特定需求。这些问题可以通过采用模块化设计方法来解决，例如 GAIA Converter 所采用的方法。这种方法允许在 COTS 技术发挥最佳性能的领域使用它们。此外，它还允许使用其他组件和子系统来满足军用级系统的特定要求。

输入要求

军用电子设备在运行过程中的电源输入来源可能多种多样，因为如果机载发电机无法提供足够的电能，则需要使用电池提供备用电源。由此产生的运行系统切换可能会导致输入电压大幅波动，并伴随短暂的瞬变。如果转换器的设计之初没有考虑到处理远高于或低于标称值的输入电压，这些变化的副作用是效率下降。

设计一个能够处理例如9V至80V电压变化的电源子系统，同时仍能提供稳定或恒定的转换效率以满足军事需求，是一项挑战。许多COTS转换器设计为在标称电压下以最高效率工作。这些产品有时采用变频拓扑，以便在输入电压范围内支持零电压开关。

虽然变频开关会使噪声更难预测，从而更难降低噪声，但零电压开关 (ZVS) 的实施可以显著降低噪声水平，通常可以降低其对雷达和无线电接收器等敏感系统的干扰程度。然而，值得注意的是，变频也可能带来稳定性问题，尤其是在负载受到脉冲宽度调制 (PWM) 或脉冲负载等变化的影响时。

此外，消除传导电磁干扰 (EMI) 的有效性取决于 DC/DC 转换器是否具有同步功能，该功能允许对噪声频率进行微调，以避免干扰雷达或无线电系统的带宽。此功能在 GAIA Converter 的许多产品中都很常见。关于高频软开关，应该澄清的是，虽然它可以提高效率，但它并不能完全消除在整个输入电压范围内管理效率的需要。

瞬态和 EMI 保护

宽输入范围无需使用前端电压瞬变限制器来管理瞬变，否则，与固有的瞬变转换拓扑相比，前端电压瞬变限制器会降低整体转换效率。在军事应用中，发动机启动或不同能源之间的转换等场景可能会产生显著的瞬变。根据 Mil-Std-1275 标准，启动电压为 12V，而 GAIA 转换器 MGDD 系列可以轻松支持该电压，因为它们在 9V 阈值下开始工作，从而提供了相当大的裕度。此外，在输入范围的高端，由于 MGDD 系列能够在 9V 至 80V 的输入范围内工作，因此可以轻松应对 DO-160 标准规定的 80V/100ms 浪涌。

一个相关的问题在于，当能源切换或由于间歇性故障时，可能会发生欠压和电压下降。中断可能持续 10 毫秒到 1 秒。军用标准测试了承受这些断电的能力。面向主流市场设计的 COTS 电源不太可能具备所需的弹性。但可以通过结合适当的电源转换拓扑和附加模块，将其设计到电源中。例如，一种增加保持时间的常用技术是在电路中放置一个大电容，以提供足够大的电荷来暂时维持系统其余部分的供电。然而，使用这种方法的简单 COTS 设计在能源恢复时可能会产生大的浪涌电流。GAIA 率先采用了一种技术，在电容两端施加升压。这可以为给定电容提供更大的能量存储量。这可以最大限度地延长保持时间，同时减少浪涌电流问题。

模块化设计技术（例如 GAIA 电源架构所采用的技术）提供了处理更大瞬变的机制。这些技术能够将专业的军用电路设计与 COTS 实现中可用的先进技术相结合。世界各地组织制定了许多军用标准，对瞬变和 EMI 进行了严格的控制。

例如，英国的DefStan-461标准规定，标称电源电压为28V的地面设备必须能够承受高达202V（28V标称电压加上176V浪涌电压）的浪涌，持续时间为300ms。这对任何电路拓扑结构都构成了挑战。但使用专用前端滤波器可以将该电压钳位到可接受的范围内，处理这些能量并保护系统的其余部分。

核心电路采用以防御为重点的设计，并结合模块化前端滤波器的使用，能够满足相关标准的要求。大多数辐射通常来自输入电缆或负载电路，因此，精心的系统设计至关重要，需要考虑到电路拓扑结构和接地策略，以及屏蔽和布线。

通过在核心设计中采用高频固定开关，电源转换器设计人员能够确保可预测的频率，从而简化滤除低频传导发射的任务，从而有利于遵守严格的发射标准。

GAIA 的方法是将电路的五面都用金属封装起来。然后，系统设计人员可以选择在第六面使用转换器下方的 PCB 接地屏蔽来完成屏蔽。

环境绩效

封装设计对于军用电源转换器的环境性能同样至关重要。许多商用现货 (COTS) 电源可以采用开放式框架设计，但由于冲击和振动应力，这些电源在国防应用中的表现往往不佳。另一种在商用现货 (COTS) 设计中未广泛使用的技术是使用灌封技术将单个组件封装在封装内。为了保证在易振动环境中的高可靠性，为国防部门设计的电源转换器广泛使用灌封技术。如果选择这种灌封材料，因为它们既导热又防振，还可以增强内部热传导。对于 GAIA 的模块而言，该技术简化了设计，因为可以指定模块化电源中整块砖块的外壳到环境的热阻。

与时俱进

与环境因素一样，军用元器件也需要长寿命和长期可靠性，而主流的COTS产品并不能很好地满足这些要求。虽然元器件的可靠性至关重要，但与之相关的一个问题是设计长寿命。主流商用现货 (COTS) 产品的生产寿命通常比国防合同及其设备的寿命短得多。作为国防领域的供应商，GAIA 甚至在其首款 DC/DC 转换器（该产品于 1993 年投放市场）上也保持了连续性。

虽然主流的商用现货 (COTS) 硬件在国防应用方面可能存在局限性，但这些局限性可以通过模块化设计方法（例如 GAIA-Converter 所采用的方法）来缓解，这种方法也有助于集成新兴技术。碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 等宽带隙半导体因其低开关损耗和高导电性，在汽车和可再生能源等领域备受青睐。尤其是 SiC，它在高温下具有高稳定性和可靠的运行。这些特性使其能够提高工作频率，从而催生高密度、高功率模块。

然而，GAIA Converter 目前尚未在其针对相对低电压（标称 28V）和低功率（小于 500W）设计的产品中使用 SiC 或 GaN 技术，因为这些宽带隙半导体在技术上尚无法与此类应用的最佳 MOSFET 竞争。尽管如此，预计随着这些技术在高压汽车领域的持续普及，它们最终将在低压和低功率领域变得更加普及，这是 GAIA 的趋势。 GAIA Converter 正在密切关注未来的设计。

结论

正如我们所见，国防领域使用 COTS 组件和子系统的趋势面临挑战。但通过与了解这些产品局限性并对军事项目需求有基本理解的供应商合作，我们有可能充分利用技术进步和大规模生产带来的学习曲线。这种结合为需要高可靠性和长寿命的应用带来了创新和前瞻性思维。像 GAIA-CONVERTER 这样的供应商在运用这些理念塑造军事和航空电子电源系统的未来方面发挥着关键作用。