軍事用途向けの新しいパワー: MIL-COTS フロントエンド フィルター

電源システムを設計するエンジニアは、入力電圧範囲と過渡電圧、負荷要件、EMI、環境条件、熱管理、信頼性など、いくつかの仕様を満たす必要があります。軍事用途は最も要求が厳しく、極端な条件下でも安全な動作を保証するために特別なフィルタリングと保護回路が必要です。次の記事では、これらの課題を解決する方法を説明し、いくつかの一般的な電源ソリューションを紹介します。

現在、ほぼすべての電力コンバータは数百 kHz の周波数でスイッチングするトポロジーを使用しており、一定量の伝導および放射高周波ノイズが発生します。数ワットの非常に低い電力レベルであれば、電力コンバーターに統合されたシンプルな PI フィルター ソリューションで十分です。数十ワットまたは数百ワットを消費するシステム用の EMI フィルターの設計は、非常に難しいことであり、HF 設計と適切なレイアウトに関する十分な知識が必要です。各コンバーター トポロジーは、アプリケーションによって消費される電力量によっても異なる高周波ノイズのスペクトルを生成するため、フィルターはすべての動作条件に合わせて設計する必要があります。

フィルター ソリューションが最終的に仕様を満たすまでには、MIL 規格に特化した高価な承認ラボで何度も試行やテストを行う必要があります。この時間のかかるプロセスにより、新規プロジェクトの全体的な設計コストにかなりの金額が追加されますが、これは MIL アプリケーションでは通常より少ない数量で償却する必要があります。 

軍事機器のシステムには複雑な電子機器やセンサーが詰め込まれているため、スペースと重量が制限されることがよくあります。高感度の測定装置や通信装置は電力コンバータの近くで動作することがあり、異なるシステム間の干渉は許されません。そのため、軍事用途の EMI 仕様は他の市場よりも厳しく、フィルタ設計はさらに複雑になります。

もう 1 つの課題は、衝撃や振動によって引き起こされる高い機械的ストレスを含む、過酷な環境条件です。EMI フィルターに必要な磁性体やコンデンサはかさばる部品であり、高い衝撃や振動による部品やはんだ接続の損傷を防ぐために特別な手段が必要です。 

既製のフィルタ ソリューションが利用可能で、これらの要件をすべて満たし、幅広い DC/DC コンバータに合わせて調整されているのに、なぜ多額の費用と数週間の貴重なエンジニアリング リソースを費やす必要があるのでしょうか。P-DUKE の MCF-028 フロントエンド フィルタ ファミリは、一般的な 28V 防衛アプリケーションで 45W から最大 250W の電力範囲をカバーするように設計されています。フィルタの動作は数百の DC/DC コンバータに準拠しており、推奨される PCB レイアウトに従うことで、再設計を必要とせずに EMI テストに初回で合格するシステムを設計することが非常に簡単になります。

一例として、タッチ スクリーン用の 80 W 電源ソリューションが挙げられます。このソリューションでは、ミリタリー車両の非安定化電圧から安定化された 28 V 電源電圧を生成する必要があります。このソリューションでは、最大 10 A 定格の MCF-028010-001 フィルタと HAE100 ファミリの 100 W コンバータを使用します (図 1)。

図 1: MIL タッチ スクリーン用の安定化 28V/80W 電源

P-DUKE のアプリケーション ノートには、必要なすべての外部コンポーネントのリストと推奨 PCB レイアウトが記載されています。このガイドに従えば、HF および EMI フィルター技術に関する深い知識がなくても、すべてのテストに合格する設計を作成できます。図 2 は、このソリューションの EMI プロットを示しています。
 

図 2: MIL STD 461G CE102 伝導エミッション

MCF-028010-001 と HAE100-24S28W を Vin (公称) および全負荷で組み合わせた状態

MIL アプリケーションにおけるもう 1 つの課題は、大きな過渡現象やスパイクを含む入力電圧の範囲が広いことです。次の表は、さまざまな規格の概要を示しています。

MIL-STD-1275 によれば、28V の公称電圧は、エンジン始動時に 16V まで低下し、システムの初期作動時には 1 秒間 12V まで低下することがあります。 

一方で、システムは、最大 100V/50ms または 80V/100ms の高エネルギー過渡現象や、最大 ±250V/70µs または ±600V/10µs のスパイクも処理できなければなりません。 

技術的には、12～100V のこの広い入力範囲で動作する DC/DC コンバータを設計することは可能ですが、このソリューションは、これらの特定のニーズに合わせて調整された大幅に小型のフィルタとコンバータの組み合わせよりも大きく、効率が低くなります。 

コンバータは低入力電圧で動作できる必要があり、これらのアプリケーション向けに P-DUKE が提供するすべてのコンバータは、最低 9V の入力電圧を処理でき、最大 36V 連続および 50V 1 秒間の入力電圧で動作するように設計されています。

P-DUKE の MCF-028 フロント エンドにすでに組み込まれているアクティブ回路は、100V/50ms および 80V/100ms の過渡電圧を 40 または 46V にクランプしますが、1 秒間 50V の入力過渡電圧能力を備えた P-DUKE コンバータでは問題ありません。図 3 は、MCF-028010 に適用された入力過渡電圧と 46V にクランプされた出力電圧を示しています。 

図 3: MCF-028010 モジュールの入力における過渡電圧 (左) とクランプされた出力電圧 (右)

非常に短い ±250V/70µs または ±600V/10µs のスパイクは、MCF028 内の追加コンポーネントによって抑制され、P-DUKE コンバータと組み合わせることで、これらすべての過渡仕様が満たされます。

P-DUKE のパワー コンポーネント オファリングの極めて高い柔軟性は、さらにいくつかのアプリケーション例を見るとわかります。

図 4 は、前述のタッチ スクリーンと、耐久性の高い CPU、メモリ、およびインターフェイス コンポーネントを使用した一般的なコンピューターを含む、完全なオンボード コンピューター システムのブロック図です。

図 4: タッチ スクリーンを備えたオンボード コンピュータ システムの電源ソリューション

さらに電力が必要な場合、MCF-028015 は最大 15A の電流を処理でき、最大 250W の負荷に対応する下流コンバーターをサポートします。良い例として、車載衛星通信システムがあります (図 5)。車両が荒れた地形を走行する場合、衛星アンテナを継続的に再配置するには強力なモーターが必要です。
 

図 5: 車載モバイル SAT 通信システムの電源ソリューション

MIL 機器は、非常に過酷な環境条件下で動作する必要があるだけでなく、多くの操作エラーや設置エラーに対してフォールト トレラントである必要があります。バッテリーへの逆極性接続は、システム全体を損傷する可能性があります。同時に多くの負荷をオンにすると、高い突入電流が発生し、システム関連のヒューズがトリップする可能性があります。P-DUKE は、MCF フロントエンドを設計する際にこれらの処理エラーを考慮し、アクティブ突入電流リミッターと逆極性保護、低電圧および高電圧、短絡電流、過熱保護を組み込みました。リモート オン/オフ機能により、各モジュールの出力をオン/オフに切り替えることができ、大規模なアレイでコンバータの制御されたランプアップまたはランプダウンが可能になります。

図 6 は、UAV、地上車両、地上およびポータブル ステーション、および中央ハブ間の通信用の複雑なモバイル ネットワーク リンク ソリューションを示しています。P-DUKE の MCF028 フロントエンドと DC/DC コンバータ ファミリのさまざまな組み合わせにより、さまざまな電源ニーズに合わせた設計が迅速かつ簡単に実現されました。グランド ノード グループ内の同じソースに接続されたさまざまなシステムの電源をオンにした場合でも、突入電流制限によりヒューズがトリップしないことが保証されます。フィルタの EMI パフォーマンスにより、コンバータからのノイズが通信ネットワークに結合されて、ミッション クリティカルな通信が妨げられることがなくなります。

図 6: P-DUKE の幅広いフィルタと DC/DC コンバータにより、さまざまな電力ニーズに合わせて迅速かつ簡単に設計できるようになりました。

P-DUKE の MIL 市場向け製品には、シングルおよびデュアル出力電圧のモジュールや、他のサプライヤの標準製品を超える電圧のモジュールが含まれています。監視システムの再設計で、ある顧客は長距離夜間視認用の高出力 LED を備えた PTZ カメラを使用したいと考えていました。各カメラには約 50W の電力が必要でした。現場での設置は、1 本のケーブルで電力と信号を伝送し、迅速かつ簡単に行う必要があります。Power over Ethernet ソリューションが必要でしたが、当時 MIL 市場で利用可能な一般的なソリューションでは、細いケーブルで各カメラに 50W を供給することはできませんでした。PoE++ (IEEE 802.3bt、50～57V 電源電圧) 仕様と、公称出力 48V を 10% 引き上げて 52.8V にした標準 P-DUKE 100W モジュールを使用することで、この課題は解決されました。

監視制御システムには、安定化された 28V/40W 電源が必要でした。RED60W モジュールを使用すると、24V の公称出力を +20% まで調整できるため、簡単に実現できます。これは、標準の DC/DC コンバータ モジュールでは非常に珍しいことです。

1 つの 250W MCF028 で最大 4 台のカメラに電力を供給でき、監視システムに十分な電力が残っています (図 7)。

図 7: MCF フロントエンド フィルタと標準コンバータを使用した PoE カメラ ソリューション。出力は 52.8V および 28V の電圧要件を満たすように調整されています

MIL アプリケーションの厳しい環境条件は、電源ソリューションを設計する際に大きな課題となる可能性があります。システムは、幅広い温度範囲で確実に動作し、高い衝撃および振動ストレスに耐える必要があります。

パワー コンバータとフィルタを設計するエンジニアは、標準の磁気部品とコンデンサは大きくてかさばるため、衝撃や振動に敏感であるという課題に直面しています。P-DUKE モジュールは、特殊なフラットで軽量なコンポーネントを使用し、シリコン ポッティングと組み合わせることで、機械的ストレスが最小限に抑えられます。そのため、すべてのモジュールは、衝撃と振動に関する MIL-STD-810F に準拠しています。

モジュラー アプローチとこれらの小型コンポーネントを使用するもう 1 つの大きな利点は、ディスクリート設計と比較してサイズと重量が大幅に削減されることです。図 5 の例で使用されているすべてのモジュールの総重量は、ポータブル バージョンではわずか 52g、強力なベース ステーション バージョンでは 185g です。

多くの場合、軍事用電子機器を水、湿気、および過酷な環境から保護するために、密閉されたハウジングに取り付けられます。伝導冷却は、モジュールのベースプレートまたはトップカバーをシステムの密閉されたシャーシに取り付けることで実現できます (図 8)。この構造は理想的な熱管理オプションを提供し、非常に高い衝撃振動ストレスに耐えることができ、信頼性の低いファンを必要としません。

図 8: すべての P-DUKE モジュールは、堅牢なシリコン ポッティング ハウジングに収められており、冷却はベースプレート (>100W) またはモジュール上部 (10 – 60W) から行うことができます。

この堅牢な構造、損失が最も少なく熱放散が少ない設計、信頼性の高いコンポーネントの選択、高品質基準を満たす製造プロセス、すべての製品の 16 時間のバーンインにより、これらの要求の厳しい MIL アプリケーションでコンポーネントが確実に動作することが保証されます。次の表は、MCF028 フィルター シリーズの優れた MTBF 値 (MIL-HDBK-217F、フル ロード) を示しています。

例に示されている DC/DC コンバータは、同様の MTBF 値を達成しています。P-DUKE は、過酷な環境条件下での防衛および鉄道アプリケーションにおける極めて厳しい信頼性要件を満たしてきた実績があります。このモジュール方式を使用すると、数日または数週間で設計を完了でき、貴重なエンジニアリング リソースを数か月必要としません。