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飞机供电特性测试解决方案
前言：
在对机载用电设备进行电源特性的测试时，我们需要根据相关的标准，例如美军标MIL-STD-704、国军标GJB181、民机标准DO-160第16章节等，选择合适的程控电源来提供相应的供电。常规的航空供电包含有直流28V、270V，交流115V、230V等供电类别，而每个类别在各种工作状态下都有各自的电压波动范围及对用电设备的相应要求，由于程控电源产品提供的满功率输出范围往往相对比较窄，与用电设备要求的测试范围并不重合，因此我们一般都需要选择具有更高输出功率能力的程控电源作为测试设备。
本文将详细剖析美军标MIL-STD-704以及RTCA/DO-160第16章节中各测试项目对于供电电压和功率的要求，来介绍在测试电源选型时需注意的事项。
程控电源的电压-电流输出特性曲线
在开始讨论机载用电设备的电源特性测试项目之前，我们需要先了解当前市面上常见的程控交直流电源的功率输出特性曲线。程控电源的标称功率是指其最大持续输出功率能力，一般在其最大输出电压时能够达到。以AMETEK旗下California Instruments品牌的交流源为典型代表，当前主流技术的交流源往往能够支持一定程度的恒功率输出范围，即当输出电压降低时，输出电流能力会提升，在一段输出电压范围内能够保持提供标称功率输出。这个范围随着品牌、产品型号的不同而各有不同，需要在产品选型时予以关注。
例如California Instruments的MX系列交流源允许电流提升至125%即支持在80-100%电压范围内满功率(图1)，CSW系列则允许在75-100%电压范围内满功率。
图1 MX系列交流输出电压-电流曲线
AMETEK Asterion系列更是具有创新的iX2电流倍增技术，允许电流提升至200%即支持在50-100%电压范围内满功率输出(图2)。
图2 Asterion系列交流输出电压-电流曲线
为了进一步扩展在低电压端的功率输出能力，California Instruments品牌的交流源都有提供高、低双量程，一般低量程的最大电压是高量程最大电压的一半，并在两个量程分别支持相应的恒功率输出范围，这样就更加扩展了满功率输出的电压范围。例如Asterion系列就相当于能够在100V-400V的宽交流电压范围内支持满功率输出。
由于航电电源特性测试的高电压变化速率的要求，对于直流供电的机载设备的测试也仍然是需要使用交直流两用电源来完成。所以我们也需要关注交流源在直流工作模式下的功率输出特性曲线。需要特别注意，很多的交直流两用电源在直流模式下都会有较大的功率衰减，有些产品在直流模式的标称功率就只有交流模式下的50%，再加上有限的恒功率输出范围，这样其在实际航电测试电压下的直流输出能力是非常受限的。只有少数的产品，例如California Instruments品牌的CSW系列以及Asterion系列，能够提供功率无损失的直流输出，并且仍然提供相应的恒功率输出范围。
图3 CSW系列直流输出电压-电流曲线(低量程，单相)
Asterion系列的iX2电流倍增技术对于直流模式同样有效，这就使其能够在125V-500V的宽直流电压范围内支持满功率输出。
图4 Asterion系列直流输出电压-电流曲线
1）交流115V供电
机载交流供电一般是标称115V。在MIL-STD-704各个版本中，正常工作状态下的稳态电压范围都是被定义为108-118V，而在RTCA/DO-160 F/G版本中则是被定义为100-122V，这算是相对比较窄小的范围。
表1 RTCA/DO-160 F/G版本对于稳态三相电压的定义示例
对于该电压范围，毫无疑问机载设备必须能够持续稳定工作，这就要求测试电源应当能够稳定长时间提供相应功率输出。阿美特克旗下California Instruments品牌的交流电源一般标配提供150V和300V两个量程档位，无此时选择150V档位能够提供最佳的功率覆盖。但是对于其他一些厂家只有单一的300V或者更高电压的产品，它们在108-118V或100-122V的正常稳态工作电压范围能够输出的功率要大大小于其标称功率，也就是说客户必须要使用大大超出待测机载设备标称功率的测试电源才能提供足够的供电能力。
举个例子，假设现有一个标称功率在20KVA的三相交流机载设备，那么分别遵照MIL-STD-704和RTCA/DO-160的测试要求，为了满足其正常稳态工作，如果使用具有150V/300V双量程且提供125%过电流能力的交流源（如California Instruments品牌的MX系列），则要求该交流源的标称输出功率需在1.11倍即22.2KVA（针对704标准）或1.2倍即24KVA（针对160标准）以上；如果使用仅提供300V单量程但支持150%过电流能力的交流源（如Chroma 61800系列），则需要其标称输出功率在1.85倍即37KVA（针对704标准）或2倍即40KVA（针对160标准)以上；如果使用仅提供300V或360V单量程且在300V以下不具备持续过电流能力的交流源（如EMTest Netwave系列），则需要其标称输出功率在2.78倍即55.6KVA（针对704标准)或3倍即60KVA（针对160标准)以上。
此外，在非正常稳态测试项目中也有持续稳态输出的要求，MIL-STD-704定义的稳态电压范围为100-125V，RTCA/DO-160定义为97-134V。但是对于超出正常稳态供电范围的情形，待测物的工作状态可能会另有定义，不一定是满功率工作，我们需要根据待测物的实际状况来进行计算。
若不考虑供电中断的情况（即电压跌落为0，此时应无功率输出），正常工作状态下最大的电压波动要求出现在MIL-STD-704的正常电压瞬变(图5)以及RTCA/DO-160的正常浪涌电压测试项目中，分别是要求80-180V和70-160V的波动范围，这其中维持在极限电压(即MIL-STD-704的80V和180V，RTCA/DO-160的70V和160V)的时间要求分别为10毫秒和30毫秒。在进行这项测试项目时，待测机载设备可能会有性能上的衰减，但要求在恢复到正常电压后就能够恢复正常工作。
图5 MIL-STD-704 F版本对于正常电压波动的范围定义
与此类似，非正常工作状态下的电压波动范围会更宽，MIL-STD-704定义为45-180V，RTCA/DO-160则定义了低至10V，高至180V。
针对这种电压波动的测试项目，我们需要了解待测设备的实际工作状态才能确定相应的供电功率要求。但是，为了覆盖到180V的测试细项，对于提供150V和300V双量程档的电源来说，他们需要设置在300V档位工作，而在运行电压波动测试项目时，有需要在115V稳定运行若干分钟的要求，也就是说针对这两个项目的测试，该电源的300V档位也需要能够在115V输出时提供待测物所需的功率，这就要求像California Instruments的MX系列这种特性的电源需要提供2.08倍以上待测物额定功率。
而像California Instruments新发布的Asterion系列则是提供200V和400V交流双量程，这样该产品200V的低量程就可以良好地覆盖这两个电压波动的测试范围。再结合Asterion高达200%的过电流能力，基本上使用Asterion来做115V交流供电机载设备的测试都只需达到待测物的额定标称功率即可。
2）交流230V供电
在RTCA/DO-160 F/G版本的16.5章节中，有定义对于230V供电的机载设备，所有原先针对115V供电的测试电压值都应乘以2。
对于提供150V/300V双量程的电源来说，使用300V量程来覆盖230V供电测试，覆盖范围与上一节中讨论的使用150V量程覆盖115V供电测试是一致的。需注意的是关于正常浪涌电压和非正常浪涌电压这两个测试项目，若待测物标称是230V供电，此两项就分别要求电源提供高达320V和360V的有效供电，这就超出了常规电源300V的电压量程，要求电源提供更高的电压输出。California Instruments的MX系列电源提供了支持到400V的第三量程的HV选件，能够有效地覆盖230V设备的这两个测试项目。此时对于MX来说功率选型时按照待测设备功率的1.39倍来选择即可覆盖这两个项目。
图6 MX45的400V档位交流输出电压-电流曲线
3）直流28V供电
最常见的机载直流供电是直流28V。在MIL-STD-704 B至F版本中正常模式下的稳态工作电压范围定义为22-29V，在RTCA/DO-160 F/G版本中正常稳态范围是22-30.2V，对于那些需要在紧急模式下工作的设备，电压下限为18V。
表2 RTCA/DO-160 F/G版本对于稳态直流电压的定义
由于交直流两用电源提供的直流电压档位一般都是在几百V的量级，当工作在直流28V及相近的电压时，几乎所有的交直流两用电源都无法达到满功率输出，此时单纯谈论电源额定功率已失去意义，真正值得关心的是该电源在18-31V时的最大电流输出能力。例如California Instruments的CSW5550（单机5550VA/W）能支持48A，AST1500(单机1500VA/W)能支持12A。若需要更高的电流输出，可以通过并联多个机台的方式来实现。
相应地我们需要去估算待测机载设备的所需电流。我们可以先根据其额定功率，除以28V的额定电压，从而得到额定电流。然后计算其在22V（针对704以及160标准）或18V（针对160标准中紧急模式下仍正常工作的设备）供电时所需的电流应当是额定电流的1.27倍或1.56倍，程控电源需能够覆盖此电流值。
4）直流270V供电
直流270V供电类别的正常稳态电压范围在MIL-STD-704 B至F版本中定义是250-280V，在RTCA/DO-160 F/G版本中定义范围是235-285V。
MIL-STD-704定义的正常电压波动范围是200-330V变动，非正常电压波动范围是180-350V变动；相应的RTCA/DO-160定义的正常电压波动范围是160-400V，非正常电压浪涌是最高到425V。
同理我们需要根据待测机载设备的额定功率、实际各电压水平下的功率表现来进行程控电源的选型。
本文总结：
经过对各种供电类别的简单的介绍，我们可以看到在对机载设备进行电源特性测试时，对于测试电源的供电能力的要求绝非简单地能够提供115V交流，28V、270V直流即可，也不是说测试电源的额定功率能够覆盖待测设备的功率即可，事实上电源需要能够在显著更为宽广的范围内提供电压输出，并且往往需要提供高出许多的功率覆盖冗余。
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