Надежность и высокая производительность.
На первый взгляд, особенно учитывая, что их основная функция преобразования переменного или постоянного напряжения в стабильное, пригодное для использования напряжение одинакова, непосвященный наблюдатель может подумать, что источники питания, используемые в оборонном секторе, похожи на те, что используются в других секторах, таких как промышленность и телекоммуникации. Однако они далеки от сравнения. Энергетические решения для военного сектора должны быть более прочными, долговечными и высоконадежными, возможно, даже более надежными, чем в любой другой отрасли. В оборонном секторе энергетическое оборудование должно безупречно функционировать в широком диапазоне суровых климатических условий и сложных ландшафтов. Оно также должно быть способно обеспечивать многолетнюю эксплуатацию с минимальным техническим обслуживанием.
Военные источники питания, как правило, изготавливаются в соответствии с очень строгими стандартами, чтобы обеспечить высочайшее качество работы в разнообразных и часто сложных условиях эксплуатации. Эти источники питания могут выдерживать температуру окружающей среды до 80 градусов Цельсия и до -40 градусов Цельсия. Они имеют определенные диапазоны напряжения для питания различных самолетов и военной техники, работающих в разных режимах. Эти источники питания способны выдерживать значительные вибрации, удары и толчки, уровни которых намного превосходят те, что встречаются в коммерческих поездах и самолетах. Поэтому не стоит заблуждаться: к системам электропитания в оборонном секторе предъявляются чрезвычайно высокие требования к надежности. Они должны работать в широком диапазоне температур, а также в условиях сильных ударов и экстремальных воздействий. Большинство военных источников питания соответствуют требованиям MIL-STD и безупречно функционируют в суровых условиях.

Уникальность сегмента рынка военной и оборонной промышленности:
Из-за специфики сегмента бизнеса в военной и оборонной отраслях, где большинство конечных применений засекречены, строго конфиденциальны и защищены правилами защиты коммерческой тайны, очень сложно точно оценить общий размер рынка источников питания. Однако аналитики рынка оценивают, что к 2023 году объем рынка, включающего батареи, генераторы, системы ИБП и источники питания, составит около 8 миллиардов долларов.
Аналитики рынка Micro-Tech Consultants в своем последнем отчете оценивают этот сегмент примерно в 3 миллиарда долларов, фокусируясь на источниках питания (AC/DC, DC/DC). 60% приходится на источники питания, разработанные собственными силами производителями военной техники (Captive), а 40% – на коммерческий рынок, где часть продукции разрабатывается индивидуально на основе спецификаций заказчика и предназначена для конкретного применения (Рисунок 1).

Рисунок 01 — Пример блока питания PRBX, разработанного для соответствия строгим требованиям к условиям окружающей среды (Источник: PRBX)

Однако специализированные решения в области электропитания по-прежнему составляют значительную часть этого сегмента, и, как это происходило и в других сегментах, при проектировании нового оборудования производители военной и оборонной продукции на ранних этапах своих проектов рассматривают преимущества использования готовых коммерческих и военных источников питания (COTS/MOTS) (рис. 02), чтобы снизить затраты, распределение ресурсов и сократить время выхода на рынок.

Рисунок 02 - DC/DC преобразователь PRBX COTS/MOTS OFD1200A для оборонных и требовательных промышленных применений (Источник: PRBX)

С точки зрения проектирования, то есть разработки индивидуальных или стандартных решений в области электропитания, разработчики силовой электроники должны учитывать ряд стандартов, специфичных для военной и оборонной промышленности, что составляет весьма интересную часть процесса проектирования.

Разработаны в соответствии со строгими стандартами:
от Земли до космоса источники питания должны соответствовать определенным стандартам, определяющим уровень надежности, необходимый для удовлетворения требований конечного пользователя. Поскольку диапазон применения чрезвычайно широк, разработчики источников питания должны учитывать наиболее подходящий стандарт, охватывающий весь спектр применения. Стандарты определяют все возможные условия окружающей среды, которым будет подвергаться оборудование конечного пользователя, например, экстремальные температуры от -40 до +80 градусов Цельсия, необходимость снижения шума в соответствии с тактическими требованиями, а также удары и вибрации, возникающие при обращении, транспортировке и эксплуатации.
Военная и оборонная промышленность используют так называемый Военный стандарт (MIL-STD) (Рисунок 03). Этот стандарт был установлен после Второй мировой войны для обеспечения единых требований и обеспечения совместимости для военных и смежных отраслей промышленности, уделяя особое внимание техническим и инженерным требованиям, процессам, процедурам, практикам и методам. Сертификация MIL-STD, первоначально использовавшаяся родами войск, теперь отражает способность выдерживать экстремальные условия и служит эталоном для других требовательных отраслей промышленности. Хотя перечислить все эти стандарты невозможно, мы можем привести несколько примеров того, что разработчикам источников питания следует учитывать при проектировании продукции для военных и оборонных целей.

Рисунок 03 - Военная и оборонная промышленность используют так называемый Военный стандарт (MIL-STD) (Источник: PRBX/DoD)

Когда тишина — золото, стандартом является MIL-STD-461.
Основной принцип работы источника питания заключается в преобразовании постоянного напряжения (DC) в переменное напряжение (AC), а затем в его выпрямлении обратно в пригодное для использования постоянное напряжение. Этот процесс достигается путем переключения постоянного напряжения, что приводит к возникновению радиоизлучения и кондуктивных помех. Эти помехи критически важны в оборонных приложениях, поскольку они могут быть обнаружены или создавать помехи для критически важных систем. Для уменьшения этих помех производители источников питания применяют различные технологии, от мягкого переключения до шумоподавления — или, проще говоря, аналогичные тем, что используются в наушниках для прослушивания музыки в шумной обстановке.
Чтобы гарантировать, что источники питания не генерируют высокий уровень кондуктивных или излучаемых помех, а также что сам источник питания не подвергается воздействию или повреждению внешними сигналами, он должен быть протестирован в соответствии со стандартом MIL-STD-461. Этот стандарт устанавливает требования к электромагнитным помехам (EMI) и электромагнитной совместимости (EMC) для защищенных от внешних воздействий источников питания военного назначения. Соответствие стандарту является ключевым фактором обеспечения удовлетворительной работы всего оборудования в системе. Испытания, проводимые в соответствии со стандартом MIL-STD-461, включают: кондуктивные помехи; кондуктивную восприимчивость; излучаемые помехи; и излучаемую восприимчивость.
В зависимости от области применения — например, наземного, воздушного, морского или подводного частотного спектра — уровень восприимчивости и методы испытаний могут различаться, как определено в таблицах IV и V стандарта MIL-STD-461 (рисунок 4).

Рисунок 04 - Таблицы IV и V стандарта MIL-STD-461 с классификацией испытаний на электромагнитную совместимость и электромагнитную совместимость в зависимости от области применения (Источник: PRBX/DoD MIL-STD-461G)

Источники питания для военной техники: стандарт MIL-STD-1275.
Большая часть военной техники, устанавливаемой на транспортные средства, питается от внутренней распределительной шины напряжением 28 В от основной батареи или генератора. MIL-STD-1275 — это стандарт для систем распределения питания в наземной военной технике. Этот стандарт определяет пределы рабочего напряжения и характеристики переходных напряжений источника постоянного тока 28 В на входе нагрузочного оборудования. Система преобразования постоянного тока в постоянный или в переменный должна быть способна работать при воздействии определенных переходных процессов напряжения, включая скачки и импульсы, и обеспечивать чистое, хорошо стабилизированное питание для своих нагрузок. Этот стандарт охватывает все возможные помехи, с которыми источник питания может столкнуться во время работы, гарантируя, что он всегда будет работать в соответствии с заявленными характеристиками.

MIL-STD-810, или «Учет экологических требований и лабораторные испытания»:
впервые представленный в июне 1962 года, стандарт MIL-STD-810 претерпел несколько изменений, и его восьмая версия, MIL-STD-810H, была опубликована в январе 2019 года. MIL-STD-810H описывает подробные процедуры испытаний, предназначенные для определения того, насколько хорошо оборудование выдерживает различные условия, такие как температура, удары, вибрация и уровень влажности, с которыми оборудование может столкнуться во время использования, транспортировки и хранения. Хотя MIL-STD-810H является военным стандартом, важно отметить, что многие надежные промышленные изделия проходят испытания в соответствии с ним. MIL-STD-810H включает более 20 различных методов испытаний, от низкого давления (высоты) и механической вибрации бортового оборудования до воздействия выстрелов и кислотных атмосфер. Большинству источников питания не требуется тестирование по всем методам, и разработчики источников питания выбирают соответствующие компоненты для конечного применения. Некоторые методы испытаний являются общими и широко используемыми, например, метод испытаний 516.8 на ударопрочность и метод испытаний 514.8 на вибрацию. Эти испытания имитируют воздействие толчков, падений и других подобных воздействий, которые могут происходить во время транспортировки и эксплуатации.

Разработка осуществляется с учетом коммерческого и военного рынков.
Поскольку готовые коммерческие/готовые источники питания могут использоваться в самых разных областях, разработчики источников питания должны учитывать широкий спектр факторов окружающей среды.
В ряде оборонных приложений требуется, чтобы источники питания работали с ограниченным или полным отсутствием вентиляторного охлаждения. Это в первую очередь относится к источникам питания, работающим в суровых условиях, где электронное оборудование установлено в герметичном корпусе, в системах радиосвязи, подверженных неблагоприятным погодным условиям, в оборудовании для наружного наблюдения и контроля доступа, а также в оборудовании для внутреннего использования, подлежащем очень строгим ограничениям по уровню шума. Помимо требований к окружающей среде, надежность и стоимость обслуживания побуждают разработчиков систем отказываться от вентиляторов и вытяжных вентиляторов, отдавая предпочтение кондуктивному охлаждению.
Кондуктивное охлаждение требует очень специфических конструктивных решений, и источники питания должны быть спроектированы таким образом, чтобы обеспечить оптимальную передачу тепла от компонентов радиатора к материнской плате для обеспечения высокой производительности в почти неприлично высоком диапазоне рабочих температур от -40 до +95 градусов Цельсия на материнской плате. В таких приложениях материнская плата может использоваться для охлаждения источника питания при работе в условиях высоких температур, а также для его нагрева при работе при низких температурах. Фактически, некоторые источники питания включают элемент Пеллетье, питаемый от небольшой батареи, которая используется во время загрузки или при максимальных условиях охлаждения.
При выборе готовых/готовых источников питания заказчики обычно требуют от них исключительной гибкости и способности обеспечивать питание для широкого спектра применений. Например, в некоторых оборонных приложениях, таких как зарядные устройства для батарей, источник питания должен обеспечивать постоянный ток. Этот ток должен не только легко регулироваться, но и может также использоваться для других целей, таких как мониторинг, когда зарядка не используется, и переключение с постоянного тока на постоянное напряжение. Часто это оборудование работает в условиях, требующих герметичного корпуса и защиты электронных компонентов от опасностей. Это требует, чтобы источник питания обеспечивал внешнее управление для регулировки выходного напряжения и/или тока от максимально допустимого уровня до уровня, близкого к нулю. В зависимости от конечных требований, эти функции могут управляться через аналоговую или цифровую шину связи. Гибкость также необходима для приложений, требующих резервирования, или для заказчиков с более высокой мощностью, которым требуются источники питания, предназначенные для параллельного подключения, где часто используется активная схема ИЛИ для поддержания высокой эффективности.
При этом необходимо учитывать высочайший уровень ударопрочности и виброустойчивости, превосходящий требования обычных источников питания, а также высокоэффективную электромагнитную фильтрацию в соответствии со стандартами MIL-STD 461E CE102, MIL-STD 1399-300A и MIL-STD 810H.

Мост!
Как уже упоминалось, благодаря использованию передовых методов проектирования надежных источников питания, соответствующих конкретным требованиям испытаний MIL-STD-810H, источники питания COTS/MOTS для военной и оборонной промышленности быстро привлекают внимание конечных пользователей в сложных промышленных условиях. В этой статье еще не рассматривались экстремальные условия эксплуатации, такие как воздействие высоких уровней радиации. Хотя эти условия могут считаться нишевыми, растущее число атомных электростанций, модернизируемых для продления срока их службы, стимулирует спрос на источники питания, способные выдерживать высокие уровни радиации и имеющие более длительный срок службы, чем требовалось ранее. На основе исследований источников питания для военной промышленности, способных выдерживать высокие уровни радиации, и применения полупроводников последнего поколения с широкой полосой пропускания, разработанных для работы в суровых условиях, становится ясно, что требовательные промышленные приложения выиграют от этих исследований и доступности источников питания COTS/MOTS.
Разработка источников питания для военной, оборонной и других требовательных отраслей промышленности является очень интересной областью для разработчиков источников питания, позволяющей изучать и открывать новые технологии, которые делают их еще более надежными, универсальными и энергоэффективными
.

Источники:
Powerbox (PRBX):
https://www.prbx.com/

Micro-Tech Consultants
о состоянии мировой индустрии импульсных источников питания за 2023 год
http://mtcpower.com/

Для получения дополнительной информации
посетите сайт www.prbx.com.
Свяжитесь с Патриком Ле Февром, директором по маркетингу и коммуникациям,
по телефону +46 (0)158 703 00.

Об авторе:
Патрик Ле Февр, директор по маркетингу и коммуникациям компании Powerbox, — эксперт в области коммуникаций и квалифицированный инженер с 40-летним опытом работы в индустрии силовой электроники. Он является пионером в коммерциализации новых технологий, таких как цифровая энергетика, и в технических инициативах по снижению энергопотребления. Ле Февр написал и представил множество технических книг и статей на ведущих международных конференциях по силовой электронике. Его работы были опубликованы более 450 раз в средствах массовой информации по всему миру. Он также участвует в различных экологических форумах, делясь своим опытом и знаниями в области чистой энергетики.