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使用 MOSA、SOSA 和 VPX 开放式架构的标准化防御平台的未来

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国防工业最新趋势显示，使用开放式标准来标准化电子系统，可提高互操作性、可扩展性和可靠性，降低系统成本，并将增加开销和维护的定制电子设计数量降至最少。2019年，美国国防部发布了一份三军备忘录，呼吁在未来武器系统改良和新启动发展项目中尽可能使用模块化开放式系统方法 (MOSA)。这份题为“我们武器系统的模块化开放系统方法是作战必需品”的备忘录特别提到了传感器开放式系统架构 (SOSA) 联盟、开放式任务系统/通用命令与控制接口 (OMS/UCI)、未来机载能力环境™ (FACE) 以及 C4ISR/EW 互操作性车辆集成 (VICTORY) 标准，“对我们的成功至关重要。”

这些字母代号到底是什么意思？MOSA、SOSA、FACE 和 VICTORY 等是否只是政府为不同团体提供相同的监督框架的更多尝试？剥去洋葱皮，结果显而易见。政府试图为参与关键武器开发的三军（陆军、海军和空军）提供一些指导。这份 MOSA 备忘录实际宣布，必须确保重要软硬件开发间的互操作性和通用性。

在此之前的许多年里，每个军种都与工业及学术界合作，承担了各种开发工作，形成了包括 OMS/UCI、SOSA、FACE 和 VICTORY 在内的许多工作组。这些工作组及其努力都为 MOSA 计划做出了贡献，推动了未来设计的通用性。从制造和设计的角度来看，模块化和灵活性可帮助用户解决热管理问题，并在标准可能偏离时提供灵活应变性。客户经常会尝试改变目标，突破功能和性能的极限；使用内部模块化方法，这种灵活性通常可通过替换一个部分来实现，从而允许快速交付。

SOSA 与 VPX 电源管理

VPX (VITA 46) 和 OpenVPX (VITA 65) 是两种流行的标准，正在迅速被采用， VITA 62 为开发满足两种 VPX 架构需求的电源提供了指导。模块化电源标准包括的各项规定主要针对冗余性、可扩展性以及可能需要保持的系统的能量存储。虽然 VITA62 旨在支持 VPX 应用，但系统设计人员可以在非 VPX 的应用中实施模块化电源。

VITA 62 标准为电源可能包含的机械封装、电气及机械接口以及通信规范提供了指南。大多数符合 VITA 62 标准的现成通用电源都配备有 6 组输出：

VS1 +12V,
VS2 3.3V,
VS3 5V,
AUX1 -12V,
AUX2 +3.3V 和
AUX3 +12V.

VS1、VS2 和 VS3 输出主要用于大电流或大功率输出，而辅助输出则主要针对低功率信号电路。VITA 62 电源可在 VS1、VS2 和 VS3 上提供不同的输出组合，以支持 VPX 应用。

SOSA 指定的电源输出比 VITA 62 少，同时针对设计指南以及电源和电磁兼容性 (EMC) 大量参考了 VITA 62、VITA 46、VITA 48、VITA 65 以及各种 MIL-STD 标准。

符合 SOSA 标准的电源只有两组输出：VS1 12V 和 VAUX 3.3V。此外，VITA 62 标准还定义了用于运行电源的模数标准控制逻辑，不仅可提高互操作性，还可减少设计人员的执行负担。

图 1：Vicor 按输入电压分类的 VITA 62 和 SOSA 电源。

符合 SOSA 标准的电源和 VITA 62 电源均可配备两个独立的 I²C 通信通道。VITA 46.11 中定义了一个可选的通信接口，VITA 46.11 利用自主计算机系统中常用的智能电源管理接口 (IPMI 2.0)，提供电源的管理与控制。

围绕 VITA 62 和 SOSA 设计的电源有多组输入 AC 和 DC 输入选项，输出数是固定的。Vicor 为支持开放式架构提供的各类电源按其输入电压分类。

图 2：Vicor 按输入电压分类的 VITA 62 和 SOSA 电源。

根据输入电源特性，VITA 62 和 SOSA 标准定义的所有电源至少有两个对准键槽。当系统设计人员实施 VITA 62.0 中表 4.3.2 定义的键控时，输入为16V 至 50V_DC 的 3U 电源不能插入需要 3U 单相 AC 电源的应用中。

在国防应用中部署任何新的电源解决方案，都需要在采用之前，符合各种环境及电气 MIL-STD 标准规范。符合 VITA 62 标准的电源可以选择性地满足 EMC 合规性要求，该合规性在 VITA 62.0 第 3.2 节中列出的 MIL-STD 1275、704 及 461 中均已定义。测试系统中的电源可能需要几个月时间，这一过程需要对电源、EMI 滤波或系统背板的设计进行迭代，以通过规定的 EMC 标准。VITA 62 和符合规定的电源可确保所有电源型号均符合其数据表所列的标准并在独立认证的测试实验室中验证，进而可在市场上脱颖而出。

图 3a 是一项典型 VPX 电源两级应用，其中第一级是 Vicor 前端三相 AC 输入模块 VIT3P28M3U750C 和Vicor 储能 VITHU270H3U50C01 保持卡，可在满功率下保持50ms。第一级提供单组 28V 输出并连接至第二级后端 Vicor VITA 62 VIT028T3U600C000 电源，其中输出总负载为 600W。图 3b 中的校准测试实验室 EMI 扫描显示整个系统通过了 MIL-STD-461G CE102 EMI 扫描。

图 3a：典型三相应用。

MIL-STD-461G CE102 EMC Scan of a three phase input line when the outputs of the VIT028x3U unit are loaded at 100% image

图 3b：VIT028x3U 单元输出负载为 100% 时，三相输入线路的 MIL-STD-461G CE102 EMC 扫描情况。

电源解决方案的可扩展性是开放式系统架构标准的基石。为此，VITA 62 和 SOSA 标准为并联电源提供了建议，以结合其主要输出的输出能力。设计标准在电源连接器接口上预留接点，以简化电源并联，平衡其输出电流共享。

无需专门为电源之间均流而预留接口，便可促进电源之间的均流，这从系统架构上减轻并联的负担，进一步提高并行性。常规 VPX 电源需要精心的系统设计和特殊的电源部件编号，才能实现电源之间的电流共享。

Vicor 电源间的电流共享有一个经过验证的无线压降共享算法。图 4 是 6U 电源的 VS1 +12V 输出在并联模式下的工作情况。输出电压随负载电流的变化而变化，但仍将其电压保持在 VITA 62 限值内。该公司的电源已针对电流共享，通过多达 4 个并联工作的单元进行了测试。

Output voltage variation in Parallel and Standalone modes image

图 4：并联及独立模式下的输出电压变化。

如果系统设计人员在其应用中只需要一个单电源，该电源可通过其 I²C 通信接口进行动态配置，以禁用降压共享，从而在可变负载下获得超过 1% 的输出公差（见 VIT028x3U600y000 的独立工作）。

A stack of four VIT028x6U power supplies image

图 5：与单个单元相比，有 4 个 VIT028x6U 电源的堆栈可将系统输出功率容量提高 360%。

与符合 SOSA 标准的电源和 VITA 62 电源进行 I²C 通信，将由 VITA 46.11 标准定义。依照惯例，3U 电源支持 4 个地址，这些地址由应用通过将地址引脚拉至逻辑为高或逻辑为低来设置。6U 电源支持 5 个寻址引脚以及更广泛的合理 I²C 地址分配。在单个 VITA 62 电源应用中，系统设计人员现在不仅可忽略（不连接）I²C 引脚，而且还可通过 0x20 地址与单个电源通信。

在应用中部署模块化电源的另一个优势是：既能够在默认情况下提供快速启动时间，也能够提供可定制的启动时间及排序。在单级后端电源应用中，这些电源能够在 200ms 内为需要它的应用完成所有输出的启动。