DC/DC-Wandler: Vereinfachung des Stromversorgungsdesigns durch modulare Architekturen

Die Entwicklung komplexer DC/DC-Wandler-Architekturen mit hoher Leistung stellt Ingenieure, die Stromversorgungssysteme für die Luft- und Raumfahrt und das Militär entwickeln, vor einige Herausforderungen.

DC/DC-Wandler müssen mehrere Normen und strenge Anforderungen in Bezug auf die Eingangsspannung, EMI (elektromagnetische Interferenz), Umgebungsbedingungen und Wärmemanagement erfüllen.

Ein modularer Ansatz kann den Entwicklungsprozess erheblich vereinfachen und ermöglicht es den Ingenieuren, komplexe Stromversorgungslösungen mit COTS- und SWaP-C-optimierten Bausteinen zu entwickeln. Entwickler können mehrere Standards und Leistungsanforderungen erfüllen und gleichzeitig ihre Leistungsarchitekturen gemäß neuen Industriestandards wie der Sensor Open System Architecture (SOSA) optimieren.

Dieser Artikel befasst sich mit der Frage, wie eine flexible modulare Stromversorgungsarchitektur zur Bewältigung dieser Herausforderungen beitragen kann.

Modulare Stromversorgungslösungen
Während es sich bei einer zentralen Stromversorgungslösung in der Regel um ein einziges Gerät handelt, das mehrere Ausgänge bereitstellt, bietet ein modularer Ansatz die gleiche (oder eine bessere) Leistung durch eine Kombination von Modulen. Die Struktur jeder modularen Lösung variiert je nach den Anforderungen der Anwendung. In der Regel umfasst sie mehrere DC-DC-Wandler, die eine gemeinsame Busspannung versorg werden, um dann die Anforderungen der Last(en) zu erfüllen.

Andere Module können neben EMI-Filtern, Transientenschutz und Netzausfallüberbrückungen auch noch Hilfsspannungen bereitstellen. Auf diese Weise bleibt die Ausgangsspannung auch dann erhalten, wenn die Eingangsspannung einbricht, z. B. beim Anlassen eines Fahrzeugmotors.

Je nach verfügbarer Versorgungsart (Wechsel- oder Gleichspannung) kann eine AC-DC-Front-End-Stromversorgung mit Leistungsfaktorkorrektur verwendet werden, um eine um einen Gleichspannungsbus zur Versorgung aller Module im System zu erzeugen.

Der modulare Ansatz bietet erhebliche Flexibilität, um nicht standardisierte Anforderungen zu erfüllen, ohne die Kosten und die Komplexität eines kundenspezifischen Designs zu verursachen. Da in der Regel vorqualifizierte Module als Bausteine verwendet werden, sind Herausforderungen wie EMI überschaubar, und die erforderlichen Qualifizierungen minimal.

Anwendungen für Luftfahrt- und Militärtechnik
Für alle Stromversorgungslösungen in Luftfahrt- und Militärtechnik ist die häufigste Stromquelle ein vordefinierter Bus, der entweder 24 V DC oder 28 V DC liefert. Dies gilt sowohl für luftgestützte als auch für bodengestützte Anwendungen.

Es gibt verschiedene Normen für Stromversorgungssysteme in Luftfahrt- und Militärtechnik, die in erster Linie dazu dienen, Eingangsspannungsschwankungen (einschließlich Transienten, Spikes und Spannungseinbrüche aufgrund des Anlassens von Motoren oder der Umschaltung und Abschaltung von Stromquellen) standzuhalten.

2-2 Airborne Applications



2-2 Groundborne Applications


Verschiedene internationale und nationale Normen definieren die Anforderungen an luft- und bodengestützte militärischer und luftfahrttechnischer Quellen.

Während die in einem Flugzeug oder Fahrzeug verfügbaren Nennspannungen genau definiert sind, finden Sie in militärischen Anwendungen häufig deutlich größere Schwankungen, die je nach Anforderungsprofil unterschiedlichen Standards genügen muss. DC-DC-Wandler mit breitem Eingangsbereich können entweder mit 24 V DC oder 28 V DC betrieben werden und die Schwankungen bei Fluganwendungen aufgrund von abnormalen oder Notfall-Betriebsbedingungen auffangen. Bei bodengebundenen Fahrzeuganwendungen sind die Spannungsschwankungen meist auf das Anlassen oder Anlassen des Motors oder die Umschaltung der Stromquelle zurückzuführen. Auch hier ist die Verwendung eines DC-DC-Moduls mit breitem Eingangsbereich die Lösung für dieses Problem.

Um andere Anforderungen zu erfüllen, kann die Lösung um weitere Modultypen ergänzt werden. Die Spannungsbegrenzer-Module der LGDS-Serie von GAIA eignen sich beispielsweise für Transienten, während die EMI-Filter-Module (FGDS-Serie) die Einhaltung der EMI-Emissionsstandards gewährleisten.

Das System sollte auch bei fehlender Busspannung für einen kurzen (definierten) Zeitraum weiter Strom liefern. Diese "Überbrückungszeit" wird häufig mit einem Großkondensator bewältigt, der über den Bus am Eingang der DC/DC-Wandlermodule angeschlossen ist. Bei diesem Ansatz gibt es jedoch zwei Probleme. Erstens ist die geladene Spannung des Kondensators die Nennspannung des Busses, so dass die Größe des Kondensators extrem groß sein wird. Zweitens erfordert ein so großer Kondensator eine externe Schaltung zur Begrenzung des Einschaltstroms.

Ein Überbrückungsmodul (wie das HUGD-300 von GAIA) kann helfen, diese Probleme zu lösen. Dieses Modul lädt den Kondensator mit einer höheren Spannung auf (in der Regel im Bereich von 31V DC bis 80V DC) und steuert den mit dem Großkondensator verbundenen Einschaltstrom. Da die gespeicherte Energie mit dem Quadrat der Spannung zunimmt, führt dieser Ansatz zu einem wesentlich geringeren Wert des Gesamtkondensators, der zudem physisch kleiner und kostengünstiger ist.

Elektrisches Rauschen
Aufgrund des höheren Wirkungsgrads und der geringeren Größe sind fast alle DC/DC-Wandlermodule Schaltgeräte; sie schalten den Gleichstromeingang um, um eine Wechselstromwellenform zu erzeugen, die dann so geregelt wird, dass die Ausgangsgleichspannung entsteht. Wie bereits erwähnt, verbessert dieser Ansatz die Größe und Effizienz. Allerdings entsteht dadurch auch das Potenzial für elektrisches Rauschen, das sich auf andere Systemkomponenten nachteilig auswirken kann, wenn es nicht richtig kontrolliert wird.

Aus diesem Grund legen Normen wie MIL-STD-461 und D0-160 den maximal zulässigen Wert für leitungsgebundenes und abgestrahltes Rauschen fest.



MIL-STD-461 und DO-160 definieren die Anforderungen für leitungsgebundenes und abgestrahltes elektrisches Rauschen in militärischen Anwendungen.

Viele Wandler verfügen über eine Art integrierte Rauschunterdrückung für leitungsgebundenes Rauschen, und ein geerdetes Metallgehäuse vermindert das abgestrahlte Rauschen erheblich. Bei strengeren Normen können externe Filtermodule (wie die FGDS-Serie von GAIA) am Eingang der DC-DC-Wandler angebracht werden, um das Rauschen weiter zu reduzieren.

Viele der DC-Wandler von GAIA sind mit einem Synchronisationskontakt ausgestattet, mit dem die Schaltfrequenz des Moduls von Frequenzen, auf die das System empfindlich reagieren könnte, weggesteuert" werden kann. Darüber hinaus können bei Systemen mit mehreren Modulen die Schaltfrequenzen der einzelnen Module durch Verbinden der Synchronisationskontakte exakt aufeinander abgestimmt werden. Auf diese Weise kann der Entwickler das niederfrequente "Schwebungs"-Rauschen eliminieren, das durch kleine Unterschiede in der Schaltfrequenz der einzelnen Module entstehen kann.

Betriebsumgebung
Militärische- und luftfahrttechnische Systeme können an einer Vielzahl von Standorten eingesetzt werden und sind unterschiedlichen und schwierigen Umgebungsbedingungen ausgesetzt, darunter extreme Temperaturen, Feuchtigkeit, Stöße und Vibrationen.

Eine Reihe von Normen definiert die Anforderungen an die Betriebsumgebung und beschreibt die Tests, die durchgeführt werden müssen, um die Konformität eines Moduls sicherzustellen.



Mehrere Tests für raue Umgebungsbedingungen werden durchgeführt, um sicherzustellen, dass die Leistungsmodule den Bedingungen, unter denen sie eingesetzt werden, standhalten

Im Falle einer kundenspezifischen Stromversorgungslösung ausdiskreten Komponenten müssten diese Tests nach Abschluss des Entwurfs durchgeführt werden. Dieser Prozess wäre mit einem erheblichen Zeit- und Kostenaufwand sowie einem Designrisiko verbunden und würde wahrscheinlich einige Designmodifizierungen erfordern. Außerdem müssten alle wesentlichen Konstruktionsänderungen oder Upgrades erneut getestet und zertifiziert werden, was ebenfalls mit Zeit, Kosten und Risiken verbunden ist.

Der modulare Ansatz verwendet jedoch präqualifizierte Module, die bereits bewiesen haben, dass sie die relevanten Normen erfüllen, wodurch ein Großteil des Entwicklungsrisikos entfällt und das Qualifizierungsverfahren deutlich vereinfacht werden.

Thermisches Management
Wärme ist immer ein Problem für jedes Stromversorgungssystem, unabhängig davon, wie effizient es arbeiten kann. Dies gilt insbesondere für jedes System, das in einem begrenzten und/oder geschlossenen Raum eingesetzt wird, wie bei militärischen- und luftfahrttechnischen Anwendungen. Jedes thermische Design muss einen gewissen Spielraum beinhalten, um die Zuverlässigkeit der Module zu gewährleisten.

GAIA-Wandlermodule sind für eine maximale Gehäuse- oder Grundplattentemperatur (je nach Modell) von 105°C ausgelegt.

In fast allen Fällen ist ein Wärmemanagement erforderlich, einschließlich einer forcierten Luftkühlung mit einem Lüfter, einer dickeren und größeren Metallisierung auf der Leiterplatte, einer Form der Kühlung - oder einer Kombination dieser Techniken. In vielen Fällen wird ein wärmeleitender Kühlkörper bevorzugt, der in Kontakt mit dem Metallgehäuse/der Grundplatte des Leistungsmoduls steht.

Schlussfolgerung
Die Entwicklung von Stromversorgungslösungen für militärische- und luftfahrttechnische Anwendungen kann aufgrund der Betriebsumgebung und der strengen Normen eine Herausforderung darstellen. In vielen Fällen ist ein modularer Ansatz mit vorgefertigten, zugelassenen Modulen die beste Lösung, da er die Entwicklungszeit und das Risiko reduziert.

Viele der geltenden Normen sind zwar schon seit einiger Zeit in Gebrauch, werden aber immer wieder aktualisiert, um neue Anwendungen zu berücksichtigen oder neue Technologien zu integrieren. Entwickler müssen sicherstellen, dass die in ihren Entwürfen verwendeten Module mit den neuesten Versionen aller Normen übereinstimmen, um die Langlebigkeit des Designs zu gewährleisten.

Darüber hinaus unterstützen andere Organisationen wie das Sensor Open Standards Architecture Consortium (SOSA Consortium) Regierungen und Industrie aktiv bei der Entwicklung offener Standards und bewährter Praktiken für die militärische Nutzung von Sensorgeräten.

www.gaia-converter.com