Fiabilidade e Alto Desempenho.
À primeira vista, e especialmente considerando que a sua função básica de converter uma fonte de tensão CA ou CC variável numa tensão estável e utilizável é a mesma, um observador desatento poderia pensar que as fontes de alimentação utilizadas no sector da defesa se assemelham às utilizadas noutros sectores, como a indústria e as telecomunicações. No entanto, estão longe de ser comparáveis. As soluções energéticas para o setor militar devem ser mais robustas, duráveis ​​e altamente fiáveis, talvez até mais do que em qualquer outra indústria. No setor da defesa, os equipamentos energéticos devem funcionar perfeitamente numa vasta gama de climas rigorosos e terrenos desafiantes. Devem também ser capazes de fornecer muitos anos de serviço com manutenção mínima.
As fontes de alimentação militares são normalmente fabricadas segundo normas muito rigorosas para oferecer o desempenho da mais elevada qualidade em ambientes de funcionamento diversos e frequentemente exigentes. Estas fontes de alimentação podem suportar temperaturas ambiente até 80 graus Celsius e temperaturas tão baixas como -40 graus Celsius. Possuem gamas de tensão específicas para fornecer energia às diversas aeronaves e veículos militares que operam em diferentes modos. Estas fontes de alimentação podem suportar vibrações, choques e solavancos consideráveis, a níveis muito superiores aos encontrados em comboios e aviões comerciais. Portanto, não se deixe enganar: o nível de fiabilidade exigido aos sistemas de alimentação de energia no setor da defesa é extremamente elevado. Devem operar numa ampla gama de temperatura, bem como sob condições extremas de choque e alto impacto. A maioria das unidades de alimentação de energia militares cumpre os requisitos MIL-STD e funciona perfeitamente em ambientes hostis.

Singularidade do Segmento de Mercado Militar e de Defesa:
Devido à natureza dos segmentos de negócio militar e de defesa, que na maioria das aplicações finais são classificados, altamente confidenciais e protegidos por regulamentos de segredo comercial, é muito difícil estimar com precisão o tamanho total do mercado de fontes de alimentação. No entanto, os analistas de mercado estimam que o mercado, que inclui baterias, geradores, sistemas UPS e fontes de alimentação, atinja cerca de 8 mil milhões de dólares até 2023.
Com o foco nas fontes de alimentação (CA/CC, CC/CC), a empresa de análise de mercado Micro-Tech Consultants estima, no seu mais recente relatório, que este segmento representa aproximadamente 3 mil milhões de dólares. É composto por 60% de fontes de alimentação concebidas internamente por fabricantes de equipamento militar (Captive) e 40% do mercado comercial, onde uma parte é concebida à medida com base nas especificações do cliente e específica para uma única aplicação (Figura 1).

Figura 01 - Exemplo de uma fonte de alimentação PRBX personalizada, concebida para satisfazer requisitos ambientais rigorosos (Fonte: PRBX)

No entanto, as soluções energéticas personalizadas ainda representam uma grande parte deste segmento e, tal como já aconteceu noutros segmentos, ao conceberem novos equipamentos, os fabricantes militares e de defesa estão a considerar as vantagens da utilização de fontes de alimentação comerciais e militares prontas a usar (COTS/MOTS) (Figura 02) nas fases iniciais dos seus projetos, de forma a reduzir os custos, a alocação de recursos e o tempo de lançamento no mercado.

Figura 02 - Conversor CC/CC PRBX COTS/MOTS OFD1200A para aplicações industriais exigentes e de defesa (Fonte: PRBX)

Em termos de design, ou seja, soluções energéticas personalizadas ou standard, os projetistas de eletrónica de potência devem ter em conta uma série de normas específicas da indústria militar e de defesa, o que constitui uma parte muito interessante do processo de design.

Concebidas para cumprir normas rigorosas:
Da Terra ao espaço exterior, as fontes de alimentação devem cumprir normas específicas que definem o nível de robustez necessário para satisfazer as exigências do utilizador final. Uma vez que a gama de aplicações é extremamente ampla, os projectistas de fontes de alimentação devem considerar o padrão mais apropriado que abranja toda a extensão da aplicação. As normas especificam todas as condições ambientais possíveis a que o equipamento do utilizador final estará exposto, por exemplo, temperaturas extremas de -40 a +80 graus Celsius, a necessidade de reduzir o ruído devido a requisitos táticos e choques e vibrações resultantes do manuseamento, transporte e impactos operacionais.
As indústrias militar e de defesa utilizam o chamado Padrão Militar (MIL-STD) (Figura 03). Este padrão foi estabelecido após a Segunda Guerra Mundial para fornecer requisitos uniformes e garantir a interoperabilidade para as forças armadas e as suas indústrias secundárias, com um foco explícito nos requisitos técnicos e de engenharia, processos, procedimentos, práticas e métodos. A certificação MIL-STD, inicialmente utilizada por ramos das forças armadas, representa agora a capacidade de suportar condições extremas e serve de referência para outras indústrias exigentes. Embora seja impossível enumerar todos estes padrões, podemos fornecer alguns exemplos do que os designers de fontes de alimentação devem considerar ao conceber produtos para aplicações militares e de defesa.

Figura 03 - As indústrias militares e de defesa utilizam o chamado Military Standard (MIL-STD) (Fonte: PRBX/DoD)

Quando o silêncio é ouro, a norma MIL-STD-461 é essencial.
O princípio básico de uma fonte de alimentação é transformar uma tensão de corrente contínua (CC) numa tensão de corrente alternada (CA) e, em seguida, retificá-la de volta para uma tensão CC utilizável. Este processo é realizado através da comutação da tensão CC, um processo que gera emissões de rádio e ruído conduzido. Estes ruídos são críticos em aplicações de defesa, pois podem ser detetados ou interferir com sistemas críticos. Para reduzir estas interferências, os fabricantes de fontes de alimentação estão a aplicar várias tecnologias, desde a comutação suave ao cancelamento de ruído — ou, simplificando, algo semelhante ao que é utilizado nos auscultadores para ouvir música em ambientes ruidosos.
Para garantir que as fontes de alimentação não geram elevados níveis de ruído conduzido ou irradiado, e também que a própria fonte de alimentação não é afetada ou danificada por sinais externos, deve ser testada de acordo com a norma MIL-STD-461. Esta norma estabelece os requisitos de interferência eletromagnética (EMI) e compatibilidade eletromagnética (EMC) para fontes de alimentação militares robustas. A conformidade com a norma é fundamental para garantir o desempenho satisfatório de todos os equipamentos de um sistema. Os testes realizados de acordo com a norma MIL-STD-461 incluem: emissões conduzidas; suscetibilidade conduzida; emissões irradiadas; e suscetibilidade irradiada.
Dependendo da aplicação — por exemplo, espectro de frequência terrestre, aéreo, naval ou submarino — o nível de suscetibilidade e os testes podem variar, conforme definido nas Tabelas IV e V da norma MIL-STD-461 (Figura 4).

Figura 04 - Tabelas IV e V da norma MIL-STD-461 com a classificação dos ensaios de EMI e EMS de acordo com as aplicações (Fonte: PRBX/DoD MIL-STD-461G)

Fonte de Alimentação para Veículos Militares: A Norma MIL-STD-1275.
A maioria dos equipamentos militares instalados nos veículos é alimentada por uma tensão de barramento de distribuição interna de 28 V proveniente da bateria principal ou do gerador de energia. A norma MIL-STD-1275 define os limites de tensão de funcionamento e as características de tensão transitória da fonte de alimentação CC de 28 V na entrada do equipamento de carga. O sistema de conversão de energia CC/CC ou CC/CA deve ser capaz de operar quando exposto aos transitórios de tensão definidos, incluindo surtos e picos, e fornecer energia limpa e bem regulada às suas cargas. Esta norma abrange todas as possíveis perturbações que a fonte de alimentação irá enfrentar durante o funcionamento, garantindo que funciona sempre conforme o prometido.

MIL-STD-810, ou Considerações de Engenharia Ambiental e Testes de Laboratório:
Introduzido em junho de 1962, o padrão MIL-STD-810 foi submetido a várias revisões, e a sua oitava versão, MIL-STD-810H, foi publicada em janeiro de 2019. O MIL-STD-810H descreve procedimentos de teste detalhados, concebidos para determinar o desempenho de equipamentos sob diversas condições, tais como temperatura, choque, vibração e níveis de humidade que os equipamentos durante a utilização, transporte e armazenamento. Embora o MIL-STD-810H seja um padrão militar, é importante notar que muitos produtos industriais robustos são testados de acordo com o mesmo. O MIL-STD-810H apresenta mais de 20 métodos de ensaio diferentes, que vão desde a baixa pressão (altitude) e vibração mecânica de equipamentos embarcados até ao impacto de disparos e atmosferas ácidas. A maioria das fontes de alimentação não necessita de ser testada de acordo com todos os métodos de ensaio, e os designers de fontes de alimentação selecionam as peças relevantes para a aplicação final. Alguns métodos de ensaio são gerais e comummente utilizados, por exemplo, o método de ensaio 516.8 para o choque e o método de ensaio 514.8 para a vibração. Estes ensaios simulam os efeitos de solavancos, quedas e outras ações semelhantes que podem ocorrer durante o transporte e a operação.

Projetar considerando os mercados comercial e militar.
Uma vez que as fontes de alimentação COTS/MOTS podem ser utilizadas numa grande variedade de aplicações, os projetistas de fontes de alimentação devem considerar uma vasta gama de fatores ambientais.
Diversas aplicações de defesa exigem que as fontes de alimentação operem com refrigeração limitada ou sem ventoinhas. Isto refere-se principalmente a fontes de alimentação que operam em ambientes hostis, onde os equipamentos eletrónicos são instalados em armários selados, em sistemas de radiocomunicação sujeitos a condições climatéricas adversas, em equipamentos de vigilância e controlo de acessos externos e em equipamentos internos sujeitos a restrições de ruído audível muito rigorosas. Para além dos requisitos ambientais, a fiabilidade e os custos de manutenção estão a motivar os projetistas de sistemas a dispensar ventoinhas e exaustores, optando pela refrigeração por condução.
A refrigeração por condução requer práticas de construção muito específicas, e as fontes de alimentação devem ser concebidas para garantir a transferência de calor ideal dos componentes do dissipador de calor para a placa-mãe, a fim de proporcionar um elevado desempenho dentro de uma gama de temperatura de funcionamento extremamente elevada, de -40 a +95 graus Celsius na placa-mãe. Nestas aplicações, a motherboard pode ser utilizada para arrefecer a fonte de alimentação quando opera em ambientes de alta temperatura, mas também para aquecê-la quando opera a baixas temperaturas. De facto, algumas fontes de alimentação incluem um elemento Pelletier alimentado por uma pequena bateria, utilizado durante a fase de arranque ou em condições de arrefecimento máximo.
Ao considerar as fontes de alimentação COTS/MOTS, os clientes exigem frequentemente extrema flexibilidade e capacidade de alimentar uma vasta gama de aplicações. Por exemplo, algumas aplicações de defesa, como os carregadores de baterias, exigem que a fonte de alimentação forneça corrente constante. Esta corrente não só deve ser facilmente ajustável, como a fonte de alimentação também pode necessitar de servir outros fins, como a monitorização quando o carregamento não está a ser utilizado e a alternância entre corrente constante e tensão constante. Frequentemente, estes equipamentos operam em ambientes que exigem que os componentes eletrónicos estejam encapsulados e protegidos contra riscos. Isto exige que a fonte de alimentação ofereça um controlo externo para ajustar a tensão e/ou a corrente de saída desde o nível máximo permitido até próximo de zero. Dependendo da necessidade final, estas funções podem ser controladas através de um barramento de comunicação analógico ou digital. A flexibilidade também é necessária para aplicações que requerem redundância ou para clientes de alta potência que necessitam de fontes de alimentação concebidas para ligação em paralelo, onde um circuito OR ativo é frequentemente incluído para manter uma elevada eficiência.
Tudo isto sem esquecer a necessidade de satisfazer os mais elevados níveis de resistência a choques e vibrações, superiores aos exigidos pelas fontes de alimentação convencionais, e uma filtragem EMC altamente eficiente, conforme especificado pelas normas MIL-STD 461E CE102, MIL-STD 1399-300A e MIL-STD 810H.

A Ponte!
Como referido, ao aproveitar as melhores práticas para conceber soluções energéticas robustas que satisfaçam os requisitos específicos de teste da norma MIL-STD-810H, as fontes de alimentação COTS/MOTS para uso militar e de defesa estão a despertar rapidamente o interesse dos utilizadores finais em aplicações industriais exigentes que operam em ambientes hostis. Este artigo ainda não abordou aplicações extremas, como as expostas a níveis elevados de radiação. Embora estas aplicações possam ser consideradas de nicho, o número crescente de centrais nucleares que estão a ser modernizadas para prolongar a sua vida útil operacional está a impulsionar a procura de fontes de alimentação capazes de suportar elevados níveis de exposição à radiação com uma vida útil mais longa do que a anteriormente exigida. Com base na investigação sobre fontes de alimentação militares capazes de suportar elevados níveis de radiação e na aplicação da última geração de semicondutores de banda larga desenvolvidos para ambientes hostis, é evidente que aplicações industriais exigentes beneficiarão desta investigação e da disponibilidade de fontes de alimentação COTS/MOTS.
O desenvolvimento de fontes de alimentação para os setores militar, de defesa e outras indústrias exigentes é um campo muito interessante para os designers de fontes de alimentação explorarem e descobrirem novas tecnologias que as tornem ainda mais robustas, versáteis e energeticamente eficientes
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Referências:
Powerbox (PRBX):
https://www.prbx.com/

Micro-Tech Consultants
sobre a Indústria Global de Fontes de Alimentação Comutadas 2023
http://mtcpower.com/

Para mais informações
, visite www.prbx.com.
Contacte Patrick Le Fèvre, Diretor de Marketing e Comunicações,
através do telefone +46 (0)158 703 00.

Sobre o autor:
Patrick Le Fèvre, Diretor de Marketing e Comunicação da Powerbox, é especialista em comunicação e engenheiro qualificado com 40 anos de experiência na indústria da eletrónica de potência. Foi pioneiro na comercialização de novas tecnologias, como a energia digital, e em iniciativas técnicas para reduzir o consumo de energia. Le Fèvre escreveu e apresentou numerosos livros e artigos técnicos em importantes conferências internacionais de electrónica de potência. Estes trabalhos foram publicados mais de 450 vezes em órgãos de comunicação social de todo o mundo. Participa também em diversos fóruns ambientais, partilhando a sua experiência e conhecimento sobre energia limpa.