Модулни решения за захранване за военни r&D: Активиране на високо-Прецизен радар, генератори на сигнали и осцилоскопи

08 Aug, 2025 2:23pm

1. Строги изисквания на властта във военни r&D Тестови системи

Военните изследователски институти и лабораториите за отбранителни технологии разчитат на високо специализирани тестови системи като Радар, генератори на сигналии осцилоскопи, всеки изисква високо-Прецизност, висока-Доставка на захранване на надеждност. Тези електроенергийни системи са обект на условия далеч над типичните търговски приложения:

1.1 Предизвикателства в тежката военна среда

Температурни крайности: Работен диапазон от –55°C до +85°C, Изисквайки компоненти с разширени рейтинги на TEMP (Мил-Prf-27, Мил-Std-202).
Електромагнитна съвместимост (EMC): Трябва да се срещне Мил-Std-461g, особено за EMI-Чувствителни системи като RF генератори.
Шок и вибрация: Тестван под Мил-Std-810h Протоколи за среда за разполагане на въздух, военноморски или полеви полета.
Смущения в електропровода: Ac/DC линията трябва да толерира Brownout, да пренапрежение, да се провежда емисии на Направете-160g Раздел 16/18.

Справка: Стандарт на метода на тестовете на Министерството на отбраната на САЩ – Мил-Std-810h
(Източник)

1.2 Модулни захранвания спрямо традиционните архитектури

Функция	Традиционни линейни PSU	Модулни захранвания (MPS)
Мащабируемост	Фиксирана топология	Лесно паралелно/серия конфигурируема
Термично управление	Разсейване на високата топлина	Ефективна топология (Zvs/Zcs) + охлаждане
EMC изпълнение	Високи емисии поради трансформатори	Оптимизирано оформление + EMI филтри
Динамичен отговор на натоварването	> Време за възстановяване на 1 мс	<100µs with current-mode control
Излишък / MTBF	<50,000 hrs	> 100 000 часа (типично)

Източник: Vicor Corporation – “Модулни захранващи системи с висока плътност в отбранителната електроника”
(Прочетете Whitepaper)

1.3 Матрица за изискване за мощност – Типично оборудване

Оборудване	Изискване за изход	Специално разглеждане на дизайна
Радарна система	28V / 270V DC @ до 50kW	Наносекунда-Отговор на натоварване на ниво, фаза-Синхронизирани силови импулси
Генератор на сигнали	±15V / ±12V DC, <5mVp-p ripple	Критичен за чистотата на сигнала при 40GHz+, фазов шум < -110 dBc/Hz
Осцилоскоп	Множество релси на напрежението ±12V, +5V, +3.3V	Железопътна линия-да-железопътна линия <0.1%, ADC resolution protection for 12-bit+ bandwidth

2. Дълбочен технически анализ: Радарни захранващи системи

Радарни платформи – включително въздушен контрол на пожар, военноморски проследяване и земя-въз основа на наблюдение – налагат част от Най -сложните електрически изисквания. Тези системи често разчитат на импулсни товари, високо-Напрежение DC автобусии реално-Синхронизация на времето със системни часовници.

2.1 Архитектура на мощност на радар с поетапен масив

Сравнение на архитектурата:

Подход	Централизирана HVDC шина	Разпределен регламент в близост до товар
Плюсове	Ниско I.²R Загуба на дълги разстояния	Бърза реакция близо до t/R модули
Минуси	Изисква тежко окабеляване + екраниране	Повишен местен риск от EMI, термични горещи точки
Използвайте случай	Радар на кораб @540V DC	AESA радар с> 1000 t/R модули

Реално-Световен пример: An/Шпионин-6 радар използва разпределени усилвател на GAN с локализиран постоянен ток-DC конвертори.
Източник: Raytheon Technologies Бяла книга (връзка)

2.2 Компенсация на импулсното натоварване – Дизайн на енергийното съхранение

Формула за импулсно натоварване за радарни модули:

$\Geq \Frac{\Тау \cdot i_p}{г \cdot u_0}$

Къде:

C = Изисква се минимален капацитет
τ = импулсна ширина (например, 10 µs)
IP = пиков ток (например, 200а)
г = Допустимо спад на напрежението (например, 5%)
U₀ = номинално захранващо напрежение (например, 270V)

200a импулс за 10µS при 270V с 5% Нуждите на Dloop> 1,480µF от ниско-ESR капацитет при всеки t/R модул.
Справка: IEEE Radar Conference 2022, “Компенсация на мощността на импулсното натоварване в системите на AESA”
(Doi)

2.3 Радарни казуси за захранване

Тип радар	Характеристики на захранването
Въздушен огън-Контрол	3KVA модулна система, 27VDC вход, тегло < 20kg, ≥82% efficiency, convection-cooled
Военноморско ранно предупреждение	10–50kW излишна архитектура, анти-Корозивен дизайн, MTBF> 100 000 часа
Метеорологичен радарен предавател	Течност-Охладена 30kW доставка, пулсация <20mVp-p, MIL-STD-810F certified

3. Прецизни решения за захранване за генератори на сигнали

Генератори на сигнали, особено тези, които работят при микровълнови честоти (> 40 GHz), търсене Изключително чисти и стабилни захранващи релсиЗа запазване на целостта на сигнала. Дори минутно захранване пулсации или кръст-Намесата на канала може да доведе до измеримо разграждане на фазовия шум и хармонично изкривяване.

3.1 шум-Чувствителна дизайнерска архитектура

За постигане на нива на пулсации за захранване под 5MVP-P, съвременните генератори на сигнали приемат a Мулти-Архитектура за филтриране на сцени, както е показано на диаграмата по -долу:

Фигура: Архитектура на филтъра за генератор на сигнали

Pfc (Корекция на коефициента на мощност): Оформя входния ток форма на вълната и подобрява ефективността.
π Филтър етап: Атенютира високо-Честотно превключване шум и диференциален режим EMI.
DC-DC конвертор (Превключване преди-Регулация): Осигурява трансформация и изолация на напрежението.
LDO регулатор: Крайният линеен етап осигурява ултра-Нисък шум от шума (<5mVp-p), critical for LO chain.

Справка: Keysight Technologies, “Проектиране на ниско-Шум захранвания за RF инструменти”
Изтеглете WhitePaper

3.2 Изолация За предотвратяване на канални кръстосани разговори

За мулти-източници на цифрова модулация на канала, Изолация на силовата релса е от съществено значение за предотвратяване на кръст-Изкривяване на модулация на канала. Всеки път на сигнала обикновено получава свой собствен изолиран постоянен ток-DC захранване, проектирано с:

Трансформатори със сплит калер или екранирани ядра
Високо общ-Филтри за отхвърляне на режим
Внимателно оформление на печатни платки с независими наземни самолети

Сравнение на производителността:

Тип на системата	Ниво на кръстосани разходи
Традиционно захранване	–65 dbc
Модулно изолирано снабдяване	–92 DBC ✅

(Виж фигура: Сравнение на производителността на канал Crosstalk)

Източник на данни: Rohde & Бяла хартия на Шварц, “Целостта на мощността в генераторите на микровълнови сигнали”
Източник

3.3 Казуси за приложения

Използвайте случай	Подробности за дизайна на захранването
Микровълнов генератор на сигнали	Хибридни SMP + LDO, Ripple <5mVp-p, supports >40GHz, изходен импеданс <10mΩ
Поле-Преносим генератор	Вход на променлив ток: 85–264V широк диапазон, интегриран LI-Ion Backup Battery (Време за изпълнение ≥ 4 часа)
Високо-RF усилвател за мощност	5kW вода-Охладена DC система, преплетена фазова топология,> 90% ефективност

Тези системи трябва да са здрави, леки и EMI-тихо – Всички характеристики, при които модулните захранващи системи значително превъзхождат конвенционалните линейни PSU.

4. Проектиране на мощност за осцилоскопи и прецизно измервателно оборудване

Модерен висок-Изпълнение на изпълнение Оцилоскопите, използвани при военни и аерокосмически тестове, изискват Ultra-Нисък шум, Мулти-Изолация на мощност на домейнаи Екстремна стабилност За да се осигури точно улавяне на формата на вълната при тежки условия. Тези изисквания са особено критични във високо-Модели на честотна лента (> 1 GHz) Използва се за електромагнитен импулс (EMP) Характеристика, анализ на подводен акустичен подпис и запис на данни за аерокосмически полети.

4.1 Основни изисквания на мощността във високо-Осцилоскопи на честотната лента

1. Потискане на шума на ниво микроволт

Шумът от захранването директно влияе върху осцилоскопа’S вертикална разделителна способност, особено когато ADC надвишават 12 бита.

Пример: За да поддържате 12-битова разделителна способност при 1V пълна-Диапазон на скали, всеки LSB е равен на ≈ 244 µV.
Ако захранването пулсации или заземен шум надвишава 10–20 µV, разделителната способност е компрометирана.

Техники:

Многослоен PCB стек-UPS с аналогов/Разделяне на цифрово равнина
Филтриране на магнитни топчета на всяка точка за вход на захранващ домейн
Точка-на-Зареждане (Пол) регулатори поставени близо до чувствителни ADC вериги

2. Противоположна честотна лента срещу търговията с шум-изключване

Спектралната плътност на шума обикновено се увеличава с честотната лента, поради по -широкия диапазон на интегриране на входния шум. По -долу е тенденцията:

Честотна лента (MHz)	Спектрална плътност на шума (μV/√Hz)
100	1.0
500	1.3
1000	1.8
2000	2.5
4000	3.6
6000	4.4
8000	5.2

🔎 Тълкуване: Тъй като честотната лента се увеличава от 100 MHz до 8 GHz, шумовият под се издига над 5×, взискателно по -строго потискане на шума от захранващата система.

4.2 Стратегия за изолация на домейна

За да се предотврати свързването на сигнала между аналогов фронт-край (Afe), цифрова обработка и висока-Системи за показване на разделителна способност, модерни обхвати разгръщат Независими захранващи домейни.

Преглед на архитектурата на мощност на изолация:

(Вижте предишна диаграма: “Архитектура на осцилоскоп за захранване на домейна”)

Аналогов домейн: ±12V ниско-Шум снабдяване с <3 μV/√Hz density
Цифров домейн: +3.3V / +1.8V Захранване за превключване, силно филтриран за EMI
Дисплей домейн: Отделно +12V или +24V релса, за да се избегне въвеждането на трептене или модулация в AFE

4.3 Военни-Специфични приложения на осцилоскоп

Използвайте случай	Дизайнерска функция
EMP тестови обхвати	Закрит вход на мощността, оцелява на 50 kV/M Преходно поле със сила (Мил-Std-461g)
Мониторинг на подводното оръжие	IP68-Запечатано захранване, работещо до 500 м дълбочина за 30+ дни непрекъснато
Платформи Aerospace Avionics	Силна система, сертифицирана да направи-160g, пълна работа –55°C до +85°C, 70 000 фута алт.

Справка: Tektronix Военни осцилоскопски банкноти за проектиране на мощност
Изтеглете PDF

5.1 Дърво на решението за избор на модул за захранване

🔧 Стъпка-от-Критерии за стъпка:

Електрически производители
- Ефективност ≥ 90%
- Пулсации < 10mVp-p (or <5μV/√Hz for sensitive loads)
- Преходен отговор < 100μs (25–75% load step)
Съвместимост в околната среда
- Мил-Std-810h (вибрация, шок, термично колоездене)
- Мил-Std-461g (Еми/EMC)
- IP68 / Направете-160g за специфични домейни (Подводен, авионика)
Система-Фактори на нивото
- Изисквания за излишък (N+1)
- Мащабируемост (Модулен паралел/серия връзка)
- Тегло & Формен фактор (Особено във въздуха/преносими системи)
Разходи за жизнен цикъл (TCO)
- Цена на загубата на ефективност за 10 години
- MTBF> 100 000 часа за намаляване на циклите на поддръжка
- Ai/Диагностични характеристики за прогнозна поддръжка

5.2 TCO модел: Конвенционална срещу модулна мощност

Артикул	Традиционно PSU	Модулно захранване
Първоначална цена (USD)	$800	$1200
Годишна загуба на енергия (W @ 85%)	200	80
10-Годишна разходи за енергия	~$2200	~$880
Престой на поддръжка	5× / 10 години	1× / 10 години
Обща цена на собственост (TCO)	~$4200	~$2580 ✅

📘 Източник: Ръководство за метрики за ефективност на захранването в САЩ, издание 2022 г.
(Връзка)

5.3 Напред-Gen Technology: GAN, SIC & Интелигентна сила

Ган/SIC устройства за захранване:

Активирайте MHz-превключване на ниво
Намалете трансформатора/Обем на индуктора> 60%
Увеличете плътността на мощността до> 300W/в³
Подобряване на топлинните характеристики с ниски RDS(на)

Ai-Активирани интелигентни модули:

Изграден-в телеметрията (напрежение, ток, температура)
Поддръжка за Откриване на прогнозни разломи
Алгоритми за адаптивни контроли за променливи товари

🔍 Ефективност спрямо честотното сравнение:
(Вижте предишната графика: "Gan vs Si Mosfet ефективност")

Ган запазва ≥88% Ефективност при 1MHz
SI MOSFET пада под 80% Отвъд 800khz
Това прави GAN идеален за суап-ограничени военни платформи (Размер, тегло и мощност)

Справка: Power Electronics News, “Как GAN революционизира военния дизайн на захранването”
Прочетете статия

✅ 6. Заключение

От фаза-радар на масив към RF генератори на сигнали и високо-Прецизни осцилоскопи, военни-Изисквания за оборудване за тестване на клас Мисия-критична надеждност, Минимален електрически шуми Здрава устойчивост на околната среда. Модулните захранвания доставят тези възможности, като същевременно позволяват мащабируемост, поддръжка и бъдеще-готовност през Ган/SIC технология и интелигентна диагностика.

Тъй като модулният дизайн става новата основна линия в отбраната r&D лаборатории, захранването вече не е фонов компонент—то’е стратегически фактор на След това-Тестови системи за генериране и сигнални системи.

Предишен: Прилагането на захранването на модула в системите за съхранение на индустриална енергия

Следваща: Няма повече