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使用 MOSA、SOSA 和 VPX 開放式架構的標準化防禦平臺的未來

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國防工業最新趨勢顯示，使用開放式標準來標準化電子系統，可提高互操作性、可擴充性和可靠性，降低系統成本，並將新增開銷和維護的定制電子設計數量降至最少。 2019 年，美國國防部發佈了一份三軍備忘錄，呼籲在未來武器系統改良和新啟動發展項目中盡可能使用模組化開放式系統方法（MOSA）。這份題為“我們武器系統的模組化開放系統方法是作戰必需品”的備忘錄特別提到了感測器開放式系統架構（SOSA）聯盟、開放式任務系統/通用命令與控制介面（OMS/UCI）、未來機載能力環境 ™ （FACE）以及 C4ISR/EW 互操作性車輛集成（VICTORY）標準，“對我們的成功至關重要。”

這些字母代號到底是什麼意思？ MOSA、SOSA、FACE 和 VICTORY 等是否只是政府為不同團體提供相同的監督框架的更多嘗試？剝去洋葱皮，結果顯而易見。政府試圖為參與關鍵武器開發的三軍（陸軍、海軍和空軍）提供一些指導。這份 MOSA 備忘錄實際宣佈，必須確保重要軟硬體開發間的互操作性和通用性。

在此之前的許多年裏，每個軍種都與工業及學術界合作，承擔了各種開發工作，形成了包括 OMS/UCI、SOSA、FACE 和 VICTORY 在內的許多工作組。這些工作組及其努力都為 MOSA 計畫做出了貢獻，推動了未來設計的通用性。從製造和設計的角度來看，模組化和靈活性可幫助用戶解决熱管理問題，並在標準可能偏離時提供靈活應變性。客戶經常會嘗試改變目標，突破功能和效能的極限；使用內部模組化方法，這種靈活性通常可通過替換一個部分來實現，從而允許快速交付。

SOSA 與 VPX 電源管理

VPX（VITA 46）和 OpenVPX（VITA 65）是兩種流行的標準，正在迅速被採用，VITA 62 為開發滿足兩種VPX 架構需求的電源提供了指導。模組化電源標準包括的各項規定主要針對冗餘性、可擴充性以及可能需要保持的系統的能量存儲。雖然 VITA62 旨在支持 VPX 應用，但系統設計人員可以在非 VPX 的應用中實施模組化電源。

VITA 62 標準為電源可能包含的機械封裝、電力及機械介面以及通信規範提供了指南。大多數符合 VITA 62 標準的現成通用電源都配備有 6 組輸出：

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

VS1、VS2 和 VS3 輸出主要用於大電流或大功率輸出，而輔助輸出則主要針對低功率訊號電路。 VITA 62 電源可在 VS1、VS2 和 VS3 上提供不同的輸出組合，以支持 VPX 應用。

SOSA 指定的電源輸出比 VITA 62 少，同時針對設計指南以及電源和電磁相容性（EMC）大量參考了 VITA 62、VITA 46、VITA 48、VITA 65 以及各種 MIL-STD 標準。

符合 SOSA 標準的電源只有兩組輸出：VS1 12V 和 VAUX 3.3V。此外，VITA 62 標準還定義了用於運行電源的模數標準控制邏輯，不僅可提高互操作性，還可减少設計人員的執行負擔。

圖 1:Vicor 按輸入電壓分類的 VITA 62 和 SOSA 電源。

符合 SOSA 標準的電源和 VITA 62 電源均可配備兩個獨立的 I²C 通信通道。 VITA 46.11 中定義了一個可選的通信介面，VITA 46.11 利用自主電腦系統中常用的智慧電源管理介面（IPMI 2.0），提供電源的管理與控制。

圍繞 VITA 62 和 SOSA 設計的電源有多組輸入 AC 和 DC 輸入選項，輸出數是固定的。 VICOR 為支持開放式架構提供的各類電源按其輸入電壓分類。

圖 2:Vicor 按輸入電壓分類的 VITA 62 和 SOSA 電源。

根據輸入電源特性，VITA 62 和 SOSA 標準定義的所有電源至少有兩個對準鍵槽。當系統設計人員實施 VITA 62.0 中表 4.3.2 定義的鍵控時，輸入為 16V 至 50V_DC 的 3U 電源不能插入需要 3U 單相 AC 電源的應用中。

在國防應用中部署任何新的電源解決方案，都需要在採用之前，符合各種環境及電力 MIL-STD 標準規範。符合 VITA 62 標準的電源可以選擇性地滿足 EMC 合規性要求，該合規性在 VITA 62.0 第 3.2 節中列出的 MIL-STD 1275、704 及 461 中均已定義。測試系統中的電源可能需要幾個月時間，這一過程需要對電源、EMI 濾波或系統背板的設計進行反覆運算，以通過規定的 EMC 標準。 VITA 62 和符合規定的電源可確保所有電源型號均符合其資料表所列的標準並在獨立認證的測試實驗室中驗證，進而可在市場上脫穎而出。

圖 3a 是一項典型 VPX 電源兩級應用，其中第一級是 Vicor 前端三相 AC 輸入模組 VIT3P28M3U750C 和 Vicor 儲能 VITHU270H3U50C01 保持卡，可在滿功率下保持 50ms。第一級提供單組 28V 輸出並連接至第二級後端 Vicor VITA 62 VIT028T3U600C000 電源，其中輸出總負載為 600W。圖 3b 中的校準測試實驗室 EMI 掃描顯示整個系統通過了 MIL-STD-461G CE102 EMI 掃描。

圖 3a：典型三相應用。

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

圖 3b:VIT028x3U 單元輸出負載為 100% 時，三相輸入線路的 MIL-STD-461G CE102 EMC 掃描情况。

電源解決方案的可擴充性是開放式系統架構標準的基石。為此，VITA 62 和 SOSA 標準為並聯電源提供了建議，以結合其主要輸出的輸出能力。設計標準在電源連接器介面上預留接點，以簡化電源並聯，平衡其輸出電流共享。

無需專門為電源之間均流而預留介面，便可促進電源之間的均流，這從系統架構上減輕並聯的負擔，進一步提高並行性。常規 VPX 電源需要精心的系統設計和特殊的電源部件編號，才能實現電源之間的電流共亯。

Vicor 電源間的電流共享有一個經過驗證的無線壓降共享算法。圖 4 是 6U 電源的 VS1 +12V 輸出在並聯模式下的工作情况。輸出電壓隨負載電流的變化而變化，但仍將其電壓保持在 VITA 62 限值內。該公司的電源已針對電流共享，通過多達 4 個並聯工作的單元進行了測試。

Output voltage variation in Parallel and Standalone modes image

圖 4：並聯及獨立模式下的輸出電壓變化。

如果系統設計人員在其應用中只需要一個單電源，該電源可通過其 I²C 通信介面進行動態配寘，以禁用降壓共享，從而在可變負載下獲得超過 1% 的輸出公差（見 VIT028x3U600y000 的獨立工作）。

A stack of four VIT028x6U power supplies image

圖 5：與單個單元相比，有 4 個 VIT028x6U 電源的堆棧可將系統輸出功率容量提高 360%

與符合 SOSA 標準的電源和 VITA 62 電源進行 I²C 通信，將由 VITA 46.11 標準定義。依照慣例，3U 電源支持 4 個地址，這些地址由應用通過將地址引脚拉至邏輯為高或邏輯為低來設定。 6U 電源支持 5 個定址引脚以及更廣泛的合理 I²C 地址分配。在單個 VITA 62 電源應用中，系統設計人員現在不僅可忽略（不連接） I²C 引脚，而且還可通過 0x20 地址與單個電源通信。

在應用中部署模組化電源的另一個優勢是：既能够在默認情况下提供快速啟動時間，也能够提供可定制的啟動時間及排序。在單級後端電源應用中，這些電源能够在 200ms 內為需要它的應用完成所有輸出的啟動。