I progettisti che lavorano nel settore della difesa e dell’aerospazio sono sempre più sollecitati a lavorare su cicli di progettazione sempre più rapidi e a introdurre una maggiore flessibilità nei prodotti finali. Non sono i soli.
Infatti, anche gli ingegneri che operano in altri mercati hanno sperimentato le stesse esigenze. Per soddisfarle, molti team hanno scelto di utilizzare tecniche di progettazione modulare. Queste architetture consentono di scambiare e modificare facilmente i componenti e i sottosistemi durante il ciclo di vita.
Inoltre, consentono una facile personalizzazione per ogni singolo progetto, anche se i severi requisiti degli ambienti di lavoro, per le applicazioni destinate ai mercati difesa e aerospaziale, richiedono un’attenzione particolare alle modalità di realizzazione della modularità del sistema.
Architettura a blocchi: flessibilità e aggiornabilità negli alimentatori modulari
La progettazione di alimentatori modulari offre molti vantaggi rispetto alle tradizionali architetture monolitiche.
I progressi compiuti nella progettazione in modalità switching hanno eliminato i vantaggi, di efficienza e spazio, che portavano le architetture monolitiche altamente personalizzate. Una delle tendenze più importanti è stata l‘evoluzione dell’architettura “a blocchi”.
Lo sviluppo di moduli di potenza che utilizzano fattori di forma e piedinature standard consente ai progettisti di combinare diverse configurazioni delle tensioni di uscita, grazie anche all’utilizzo di un convertitore front-end comune.
Gli specialisti dei sistemi di alimentazione o di potenza di un progetto possono adattarsi alle variazioni delle specifiche delle tensioni di uscita, magari richieste da un cambiamento delle specifiche di un componente chiave, semplicemente sostituendo un modulo (mattoncino o brick, da qui in poi) con un altro della stessa gamma.
La piedinatura e le dimensioni comuni dei moduli per la gamma di potenza in questione consentono questo cambiamento senza modifiche al circuito stampato nella maggior parte dei casi. L’architettura a blocchi ha anche permesso di semplificare la manutenzione e gli aggiornamenti del sistema sul campo.
Quando i sistemi devono essere riparati, i tecnici possono rimpiazzare i singoli moduli e sostituirli con unità nuove ed eventualmente migliorate. Con il miglioramento della tecnologia nel corso del tempo, può anche diventare fattibile rimuovere un vecchio modulo a quarto di brick, ad esempio, e sostituirlo con un elemento di potenza superiore.
Requisiti militari
In linea di principio, le applicazioni militari si prestano a un approccio modulare. L’uso di bus di ingresso standard, come 24 V CC e 28 V CC, sia nelle applicazioni di terra che in quelle avioniche, favorisce il passaggio ad architetture di potenza a blocchi.
Tuttavia, le applicazioni di difesa e aerospaziali introducono complicazioni che devono essere affrontate. I team devono perciò prestare attenzione a selezionare fornitori in grado di soddisfare questi requisiti.
Sono molti i vincoli che devono essere soddisfatti da un’architettura modulare, anche quando il progetto prevede un bus di ingresso standard. Tra questi c’è la necessità di soddisfare i severi standard militari.
Il progetto complessivo dell’alimentatore deve garantire la protezione contro i picchi di tensione e le interruzioni di corrente di breve durata. Inoltre sono richiesti filtri di ingresso e soluzioni per la gestione dell’hold-up.
Soluzioni per continuità operativa e protezione in ambienti critici
I requisiti presenti nella DO160 e nella MIL-Std 704, ad esempio, portano a realizzare apparati capaci di mantenere attive le tensione di uscita per un tempo massimo di 1 secondo in caso di interruzione dell’alimentazione principale. La circuiteria di mantenimento può fornire questo risultato, utilizzando condensatori di dimensioni adeguate.
Tuttavia, la corrente, proveniente da tali dispositivi, deve essere gestita con attenzione per evitare problemi di correnti di spunto quando l’ingresso di alimentazione torna alla normalità.
Le dimensioni meccaniche dell’alimentatore sono un’altra questione fondamentale, soprattutto nei sistemi avionici dove i vincoli di spazio sono molto sfidanti. Utilizzando circuiti ad alta tensione per realizzare la sezione di hold-up, è possibile ridurre le dimensioni del condensatore di accumulo.
Infatti, l’uso di una tensione più alta di quella richiesta dal rail di uscita aumenta l’energia immagazzinata per un dato valore di capacità. Il monitoraggio attivo della corrente di spunto, integrato nel circuito insieme ad altri meccanismi di protezione, garantisce il corretto funzionamento della funzione di hold-up.
I filtri forniscono un’ulteriore protezione contro i picchi e le sovratensioni in ingresso. La natura specifica della protezione contro i picchi dipende dal sistema di destinazione. Alcuni necessitano di una protezione contro i fulmini, spesso ottenuta con circuiti di soppressione delle tensioni transitorie.
Un altro requisito di filtraggio deriva dalla necessità di proteggere dalle interferenze elettromagnetiche che potrebbero disturbare il funzionamento del sistema.
Infine, diversi standard militari richiedono una protezione contro le emissioni e la suscettibilità alle radiazioni e alle condotte. Anche in questo caso, saranno i requisiti specifici del sistema a guidare le decisioni sul tipo e sul livello di protezione necessario nel sottosistema di alimentazione.
Abbandonare la progettazione custom
Sebbene un modo per ottenere la protezione aggiuntiva di cui hanno bisogno gli alimentatori per la difesa e il settore aerospaziale sia quello di utilizzare progetti di circuiti personalizzati, questo richiede tempo per essere realizzato.
Ciò contrasta con il risparmio di tempo ottenuto scegliendo moduli standard adatti a lavorare con il bus di sistema e i convertitori per gestire al meglio le tensioni di uscita. Tuttavia, è possibile adottare un approccio modulare sia alla conversione di potenza che alla protezione.
GAIA Converter ha adottato questo approccio per creare moduli standard di protezione e con funzionalità aggiuntive, che possono essere utilizzati in serie con i convertitori di potenza. Questa architettura consente di inserire e disinserire nel progetto diverse funzionalità di protezione, a seconda delle necessità e dei requisiti di sistema.
Densità, flessibilità e integrazione nei sistemi modulari
Con una corretta progettazione dei moduli, è possibile realizzare un dislocamento dei moduli sulla scheda in modo da ridurre al minimo la distanza tra i moduli stessi e quindi per ridurre le dimensioni complessive dell’alimentatore.
Questo approccio alla progettazione dovrebbe facilitare la creazione di schede di test più flessibili che i team di sviluppo possono utilizzare per valutare le prestazioni di diverse combinazioni di moduli.
GAIA sta lavorando alla realizzazione di evaluation board che forniranno ai progettisti esempi pratici e linee guida per l’integrazione dei moduli nei loro sistemi. Con i moduli così progettati per funzionare in conformità agli standard,come la MIL-Std-1275 e DO-160, risulta di fatto più semplice l’integrazione, realizzando nel contempo un’alimentazione già completamente protetta all’interno di sistemi destinati ad essere installati su veicoli terrestri e sistemi avionici, rispettivamente.
Inoltre è possibile ottenere una maggiore densità di soluzioni utilizzando moduli “configurabili” che integrano già i componenti necessari per realizzare un alimentatore di grado militare in un unico modulo compatto.
Un esempio è il PSDG48 di GAIA. Si tratta di un singolo modulo di alimentazione da 48W che può supportare fino a tre uscite diverse. Il modulo integra tutte le funzioni necessarie, tra cui l’hold-up e il filtraggio EMC, nella stessa unità di potenza.
All’altro estremo della scala, GAIA Converter proporrà soluzioni adatte all’utilizzo in configurazione parallelo, per ottenere potenze più elevate.
Con queste tecniche e opzioni di funzionamento presenti nelle nuove serie di DC-DC converter, sarà possibile raggiungere livelli di 1kW o più da un gruppo compatto di moduli in parallelo.
Soluzioni di potenza oltre le applicazioni di difesa
Con l’espansione della portata e della gamma di alimentatori modulari altamente affidabili in grado di gestire requisiti operativi rigorosi, è possibile che questi prodotti si spostino in mercati adiacenti.
Settori come l’automazione industriale e le energie rinnovabili richiedono alte densità di potenza, resilienza e dimensioni compatte. Possono inoltre beneficiare della flessibilità delle architetture modulari, che consentono di personalizzare i sistemi in base a casi d’uso specifici.
Gli alimentatori modulari, noti per soddisfare le rigorose esigenze dell’ambiente militare, offrono chiari vantaggi in termini di affidabilità e sicurezza nelle applicazioni che necessitano di una protezione simile contro picchi, sovratensioni e interruzioni.
Modularità come strategia per efficienza, adattabilità e resilienza
La progettazione modulare degli alimentatori ha dimostrato chiari vantaggi per gli utenti. La modularità consente di realizzare progetti economici in grado di adattarsi a esigenze che cambiano rapidamente.
Grazie alle avanzate tecniche di conversione a commutazione, questi alimentatori offrono un’elevata efficienza e, potendo riutilizzare moduli collaudati, garantiscono un’elevata affidabilità.
Progettando alimentatori modulari per soddisfare le esigenze dei mercati difesa e aerospazio, fornitori come GAIA possono offrire la soluzione adatta non solo per le specifiche di tensioni e potenza richieste, ma anche per le caratteristiche che migliorano la resilienza complessiva del sistema, come il filtraggio e la potenza di hold-up.
Essendo parte della struttura modulare, le funzionalità possono essere aggiornate e potenziate facilmente al variare delle specifiche. Questo vale sia per i sistemi sul campo che per quelli in linea di produzione. Il risultato è un’architettura di potenza che si muove al passo con i tempi e garantisce i più elevati standard operativi.
La modularità è diventata un elemento chiave dei progetti elettronici in molti mercati. La difesa e l’aerospazio hanno esigenze più specifiche, ma come ha dimostrato il lavoro di GAIA, è possibile sviluppare architetture di potenza modulari a vantaggio di questi mercati, nonché di settori che richiedono livelli simili di resilienza e affidabilità dai loro sottosistemi di gestione dell’energia.
Autore: Christian Jonglas, Technical Customer Support Manager, Gaia Converter
