מאמרים נוספים בסדרת Power Integrity במערכות צבאיות

תכנון אספקת כוח לפלטפורמות צבאיות – רכביות ואוויריות – מחייב הבנה עמוקה של סביבת הכוח המבצעית. מערכות הפועלות על קווי ‎28V צבאיים נחשפות לאירועי Transient, פולסי Surge, הפרעות EMI, שינויי הארקה ותנודות מתח מהירות העלולות לגרום לאי יציבות מערכתית גם כאשר ספקי הכוח עומדים לכאורה בדרישות התקן.

סדרת המאמרים הבאה עוסקת בהיבטים ההנדסיים של Power Integrity, תכנון ספקי כוח מוקשחים ועמידה בתקנים כגון MIL-STD-1275, MIL-STD-461 ו-MIL-STD-810, תוך בחינה של תופעות אמיתיות המתגלות בשטח במערכות רכב צבאיות, מערכות משימה ומערכות מל״טים.

להעמקה בנושאים אלו ניתן לקרוא גם:

• MIL-STD-1275F: הגנה מתקדמת במערכות כוח צבאיות – הבנה מעמיקה של Transient Surge
• DC/DC Converter ל-MIL-STD-1275F – איך נראה ספק ‎24V→12V ששורד גיהנום אמיתי
• אספקת כוח בפלטפורמות רכב צבאיות: למה מערכות נכשלות גם כשהספק עומד בתקן
• שינויי הארקה ברכב צבאי – הגורם השקט לאי יציבות מערכתית גם תחת MIL-STD-1275E/F
• למה מערכות מבצעות Reset למרות שהמתח “בתוך הטווח”: הסכנה הסמויה של קריסות מתח קצרות בפלטפורמות רכב צבאיות
• הפרעות EMI במערכות מל״טים – כאשר רעש חשמלי נראה כמו תקלה בתוכנה

מדוע לעיתים נדרש לפצל את הארכיטקטורה למספר מודולים

במערכות אלקטרוניות המותקנות בפלטפורמות רכב צבאיות – משאיות, זחלמים, מערכות נשק, מערכות תקשורת או מחשבי משימה – אספקת הכוח היא לעיתים אחד האתגרים ההנדסיים המרכזיים בתכנון המערכת.

לכאורה מדובר במערכת פשוטה:
קו כוח של רכב צבאי מספק מתח נומינלי של ‎28VDC, וממנו יש להפיק מתחים שונים הדרושים לאלקטרוניקה כגון:

• ‎3.3V למעבדים ולוגיקה דיגיטלית

• ‎5V למודולים שונים

• ‎12V או ‎28V למפעילים או מערכות נוספות

אך כאשר הדרישה כוללת גם עמידה בתקן MIL-STD-1275E/F, התמונה משתנה לחלוטין.

תקן זה מגדיר את סביבת הכוח הקשה הקיימת בפלטפורמות רכב צבאיות, כולל אירועים קיצוניים של נפילות מתח, פולסי מתח גבוהים והפרעות חשמליות הנגרמות במהלך פעולת הרכב.

בשלב זה, בחירת ספק כוח הופכת מתרגיל פשוט לבחירה הנדסית מערכתית.

---

סביבת הכוח של רכב צבאי אינה יציבה

מערכות רבות מתוכננות סביב ההנחה כי קו הכוח של הרכב הוא מקור מתח יציב יחסית.

בפועל, קו הכוח של רכב צבאי הוא אחת הסביבות החשמליות הקשות ביותר עבור אלקטרוניקה.

במהלך פעולה רגילה של הרכב יכולים להתרחש אירועים כגון:

• התנעת מנוע

• שינויי עומס חדים

• הפעלת מערכות הידראוליות או חשמליות כבדות

• מעבר בין מצבי פעולה

• הפרעות ממערכות שכנות

במהלך אירועים אלה קו ה-28V עלול לחוות:

• נפילות מתח קצרות

• קפיצות מתח

• פולסים גבוהים מאוד

• רעש חשמלי רחב-ספקטרום

תקן MIL-STD-1275 נועד בדיוק כדי להתמודד עם תופעות אלו.

---

ההבדל המשמעותי בין MIL-STD-1275D לבין MIL-STD-1275E/F

במערכות רבות עדיין מתייחסים לגרסאות הישנות של התקן – A עד D – אך בפרויקטים חדשים נדרש לעיתים קרובות לעמוד בגרסאות E או F, שהן מחמירות משמעותית.

ההבדל המרכזי נוגע לאירועי Surge.

בגרסאות המוקדמות של התקן:

• מתרחש פולס מתח גבוה אחד

• משך הפולס מוגבל

לעומת זאת, בגרסאות MIL-STD-1275E/F:

• המתח יכול להגיע לכ-100V

• הפולס חוזר מספר פעמים

• מדובר בסדרה של 5 פולסים, בהפרש של מספר שניות ביניהם

כלומר המערכת אינה צריכה רק לשרוד אירוע בודד, אלא להתמודד עם סדרת אירועים.

עבור ספקי כוח רבים מדובר באתגר משמעותי.

---

דרישת מערכת אופיינית

נבחן דרישה טיפוסית למערכת המותקנת ברכב צבאי.

מתח כניסה:

28V vehicle bus

מתחי מוצא נדרשים:

• ‎3.3V @ 2A

• ‎28V @ 2A

בנוסף נדרש:

• עמידה בתקן MIL-STD-1275E

• עמידות לתנאי סביבה צבאיים

• עבודה בטווח טמפרטורות רחב

• עמידות לרטט ולזעזועים

בשלב זה עולה שאלה הנדסית חשובה:

האם ניתן להשתמש במודול יחיד שמפיק מספר מתחים ומכסה את כל הדרישות?

במקרים רבים התשובה היא: לא בהכרח.

---

מדוע לעיתים עדיף לפצל את הארכיטקטורה

כאשר משלבים מספר דרישות מורכבות יחד:

• מספר מתחים

• הספק כולל גבוה יחסית

• isolation בין המוצא לכניסה

• עמידה ב-MIL-STD-1275

• עמידה ב-EMI לפי MIL-STD-461

• עמידות מכנית לפי MIL-STD-810

המורכבות של מודול יחיד עולה מאוד.

לכן בארכיטקטורות רבות בעולם הצבאי משתמשים בגישה של:

Distributed Power Architecture

בגישה זו המערכת משתמשת במספר מודולים ייעודיים, שכל אחד מהם מבצע פונקציה מוגדרת.

גישה זו מאפשרת:

• גמישות תכנונית גבוהה

• ניהול תרמי טוב יותר

• הפרדת עומסים

• אמינות גבוהה יותר

---

פתרון הנדסי לדוגמה

במערכת הדורשת:

Input: ‎28V vehicle bus
Outputs: ‎3.3V ו-‎28V

ניתן להשתמש בשני מודולים נפרדים.

מודול ראשון

GIL-75106-28-H

מאפיינים עיקריים:

• הספק עד ‎70W

• טווח כניסה ‎10-36VDC

• יציאה ‎28V

• יציאה מבודדת

• יעילות גבוהה

• הגנה מפני polarity הפוכה

• הגבלת זרם

• שליטה מרחוק On/Off

עמידות תקנים:

• MIL-STD-1275 A-F

• MIL-STD-704

• MIL-STD-461

• MIL-STD-810

טווח טמפרטורה:

-40°C עד ‎+85°C

מודול זה מתאים במיוחד למערכות רכב צבאיות בהן נדרש מתח ‎28V יציב גם בתנאי קו כוח קשים.

---

מודול שני

GIL-74101-A0

מאפיינים:

• יציאה ‎3.3V

• זרם עד ‎3A

• הספק עד ‎10W

• טווח כניסה ‎10-32V

• יציאה מבודדת

• יעילות גבוהה

• ripple נמוך

עמידות תקנים:

• MIL-STD-1275 A-F

• MIL-STD-704

• MIL-STD-461

• MIL-STD-810

טווח טמפרטורה:

-40°C עד ‎+80°C

מודול זה מיועד להזנת אלקטרוניקה דיגיטלית כגון:

• מעבדים

• FPGA

• מערכות תקשורת

• לוגיקה דיגיטלית

---

האם נדרש פילטר 1275 חיצוני?

אחת השאלות הנפוצות ביותר בתכנון מערכות רכב צבאיות היא:

האם יש צורך להוסיף פילטר MIL-STD-1275 לפני ספק הכוח.

התשובה תלויה בארכיטקטורה שנבחרה.

יש שתי גישות מרכזיות.

גישה ראשונה:

פילטר כניסה ייעודי
ולאחריו ממיר DC-DC מסחרי.

גישה זו נפוצה כאשר משתמשים במודולים שאינם מיועדים במקור לסביבה צבאית.

גישה שנייה:

שימוש בממירי DC-DC שתוכננו מראש לעמוד בתקן.

במקרה כזה מודול ההספק כולל בתוכו:

• הגנת surge

• הגנת spike

• סינון הפרעות

• הגנות מתח

גישה זו מפשטת את הארכיטקטורה ולעיתים מקטינה את מספר הרכיבים במערכת.

---

שיקולים נוספים בתכנון

בעת תכנון אספקת כוח למערכת רכב צבאית יש להביא בחשבון מספר גורמים נוספים.

EMI

מערכות רבות חייבות לעמוד בדרישות:

MIL-STD-461

הכוללות:

• Conducted emissions

• Conducted susceptibility

• Radiated susceptibility

תנאי סביבה

מערכות צבאיות פועלות בתנאים קשים:

• טמפרטורות קיצוניות

• רטט מתמשך

• זעזועים מכניים

• אבק ולחות

לכן מודולי הכוח צריכים לעמוד בדרישות:

MIL-STD-810

ניהול תרמי

מודולי הספק מחייבים פיזור חום יעיל.

במערכות רבות נדרש:

• חיבור ל-heatsink

• שימוש ב-thermal pad

• תכנון זרימת אוויר מתאימה

---

יתרונות של ארכיטקטורת מודולים

שימוש במספר מודולי הספק קטנים יחסית מאפשר:

• הפרדה בין עומסים קריטיים

• שיפור אמינות המערכת

• פשטות בתכנון

• תחזוקה קלה יותר

• התאמה לפרויקטים עתידיים

בנוסף, במקרה של שינוי דרישות המערכת ניתן לעיתים להחליף מודול יחיד מבלי לשנות את כל ארכיטקטורת הכוח.

---

סיכום

תכנון אספקת כוח למערכות רכב צבאיות הוא תחום הנדסי מורכב הרבה יותר מבחירת ספק כוח סטנדרטי.

האתגר המרכזי אינו רק הפקת מתחים שונים, אלא עמידה בסביבת כוח קשה הכוללת:

• פולסי מתח גבוהים

• נפילות מתח

• הפרעות חשמליות

• תנאי סביבה קיצוניים

כאשר נדרש לעמוד בתקן MIL-STD-1275E/F, בחירת ארכיטקטורת הכוח הופכת להחלטה מערכתית.

במקרים רבים, שימוש במספר מודולי DC-DC מוקשחים מאפשר להגיע לפתרון יציב, אמין ועמיד יותר.

שילוב נכון של מודולים שתוכננו מראש לסביבה צבאית מאפשר למהנדסי מערכת להתמודד בהצלחה עם אחד האתגרים המורכבים ביותר בפלטפורמות רכב צבאיות:
שמירה על אספקת כוח יציבה גם כאשר סביבת הכוח רחוקה מלהיות יציבה. 🚀