VPX-Stromversorgung: Worauf es ankommt

Seit 2010 sind die Standards VITA (OpenVPX) und Sensor Open Systems Architecture (SOSA) ein strategischer Gewinn für die US-Verteidigungsindustrie. Durch die Standardisierung von Formfaktoren, Backplane-Schnittstellen und Stromschienen für rackbasierte Embedded-Computing-Systeme haben diese Architekturen die Lieferkette für Verteidigungselektronik erstmals für den Wettbewerb zwischen mehreren Anbietern geöffnet.

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Was als US-amerikanische Programminitiative begann, gewinnt nun weit über die Grenzen der USA hinaus an Bedeutung. Heute spezifizieren europäische Rüstungsunternehmen, verbündete Nationen und globale Auftragnehmer weltweit SOSA-basierte 3U- und 6U-VPX-Stromversorgungskarten für Luft-, Boden- und elektronische Kampfführungssysteme. Das Lieferanten-Ökosystem ist dabei entsprechend gewachsen, sodass nun zahlreiche Anbieter SOSA-konforme Stromversorgungskarten anbieten, die in jedes Gehäuse passen.

Angesichts der vielen Anbieter interoperabler Lösungen fällt es Entwicklern oft schwer, die passende Stromversorgung auszuwählen. Für fundierte Entscheidungen in der Verteidigungselektronik müssen sie daher wissen, welche Spezifikationen entscheidend sind und welche Kompromisse vertretbar bleiben.

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Herausforderungen in einem Markt mit offenen Standards

Vor VITA und SOSA basierte die Verteidigungselektronik traditionell auf kundenspezifischen Designs einzelner Anbieter. In diesen Fällen entwickelten Ingenieure für jedes Programm das Stromversorgungssystem gemäß den spezifischen Anforderungen der jeweiligen Plattform, bezogen es von einem einzigen Lieferanten und qualifizierten es einmalig. Diese Vorgehensweise bot zwar Vorhersehbarkeit, doch die extreme Spezifität behinderte den Wettbewerb.

Die USA entwickelten VITA und SOSA, um diese Situation durch Standardisierung zu ändern (Bild 1). Konkret standardisieren diese Architekturen Formfaktoren, Backplane-Pinbelegungen und Stromversorgungsschnittstellen, um die herstellerübergreifende Interoperabilität zwischen ansonsten unterschiedlichen Verteidigungssystemen zu ermöglichen. So akzeptiert eine SOSA-konforme VPX-Stromversorgungskarte 28 oder 270 V Eingangsspannung und liefert einen 12-V-Hochstromausgang mit einer 3,3-V-Hilfsspannungsschiene, verpackt in einem 3U- oder 6U-Formfaktor für jedes Gehäuse. Entwickler im Verteidigungssektor erhalten so die nötige Sicherheit, da sie wissen, dass die Karten zweier beliebiger Anbieter in dieselbe Backplane passen und die gleichen Ausgangsspannungen liefern. Doch obwohl die Standardisierung die Konformität bezüglich Formfaktor, Ein- und Ausgang garantiert, sind nicht alle Lösungen gleichwertig. In der Praxis sollten viele weitere Faktoren – wie interne Topologie, Qualifizierungsanforderungen, Spielraum bei der Leistungsdichte und Zuverlässigkeit der Lieferanten – bei der Auswahl VITA- und SOSA-konformer Lösungen berücksichtigt werden.

Qualifizierung als entscheidendes Auswahlkriterium

Standards wie MIL-STD-461, -1275 und -704 legen elektrische Anforderungen für Leistungselektronik im Verteidigungsbereich fest. Fast jedes Datenblatt für VPX-Stromversorgungskarten verweist auf diese Standards, dennoch bezeichnen Lieferanten ihre Lösungen entweder als „entwickelt, um einen bestimmten Standard zu erfüllen“ (designed to meet) oder als „qualifiziert nach“ (qualified to).

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Sabine Synkule

„Designed to meet“ bedeutet, dass die Standards das Ziel sind; Entwickler jedoch nicht unbedingt Tests durchgeführt oder die Ergebnisse offiziell dokumentiert haben. So hat eine Karte mit der Kennzeichnung „Designed to meet MIL-STD-461“ nicht unbedingt die EMV-Prüfung bestanden.

„Qualified to“ bedeutet hingegen, dass die Entwickler das Produkt einem vollständigen Testprogramm unterzogen haben und über dokumentierte Ergebnisse verfügen. Entwickler wissen mit Sicherheit, dass eine nach MIL-STD-461 qualifizierte Karte die Tests erfolgreich abgeschlossen hat und dies durch nachvollziehbare, zugängliche Daten belegt ist.

Der Unterschied ist von Bedeutung, da Konformitätsmängel während der Systemintegrationstests Zeitpläne und Budgets gefährden können. Qualified-to-Lösungen geben Entwicklern ein viel höheres Vertrauen in den Erfolg und die Konformität, während Designed-to-Lösungen eher Überarbeitungen in späten Phasen erfordern, die eine erneute Qualifizierung notwendig machen. Dies kann Monate dauern und Millionen kosten.

Dieser Unterschied ist in Europa noch ausgeprägter, da Auftraggeber im Verteidigungsbereich routinemäßig Konformitätsdokumente vor der Auftragsvergabe anfordern. Ein Lieferant, der auf Anfrage vollständige Qualifizierungstestberichte vorlegen kann, kann den Evaluierungszyklus verkürzen und potenzielle Risiken bereits vor Programmbeginn beseitigen.

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Warum ist eine modulare Architektur von Vorteil?

Auf höchster Ebene legt SOSA die Ausgangsschnittstelle der Stromversorgungskarte fest (d. h. die gelieferten Spannungen, die Pinbelegung des Steckers und den Formfaktor). Der Standard sagt jedoch nichts darüber aus, wie die Karte diesen Ausgang erzeugt. Zwei Karten, die beide die SOSA-Spezifikation für die Stromversorgungsschnittstelle erfüllen, können auf völlig unterschiedlichen internen Architekturen basieren, was sehr unterschiedliche Auswirkungen auf die Programmflexibilität hat.

So ist eine Karte, die auf diskreten, hartgeschalteten Wandlern basiert, wahrscheinlich für einen einzigen Designpunkt optimiert: Die Entwickler haben die magnetischen Komponenten, das Schaltnetzwerk und den Regelkreis bereits auf bestimmte Eingangs- und Ausgangsbedingungen abgestimmt. Jede Anfrage nach nicht standardmäßigen Hilfsspannungen, Split-Rails oder ungewöhnlichen Transientenprofilen würde dann ein vollständiges Neudesign der Platine erfordern, was wiederum den gesamten Qualifizierungsprozess neu starten würde.

Im Gegensatz dazu können Entwickler bei einer Karte, die auf modularen DC/DC-Wandlern basiert, nicht standardmäßige Ausgänge bewältigen, indem sie interne Module einfach neu konfigurieren oder austauschen (Bild 2). In einem solchen Fall können sie die Frontend-Konformitätsschaltung, EMI-Filterung und primäre Wandlerstufe unverändert lassen und nur die Ausgangsstufe austauschen. Folglich müsste nur die Ausgangsstufe neu bewertet werden, während der Rest der Karte unverändert übernommen werden kann. Dieser Ansatz führt zu einem deutlich flexibleren Design, das Unternehmen später wiederum viel Zeit und Geld sparen kann. Diese Überlegung ist gerade für europäische Verteidigungsprogramme relevant, da diese häufig von der in den USA entwickelten SOSA-Grundlinie abweichen. Durch die Wahl qualifizierter Lösungen mit modularem Design können europäische Entwickler problemlos eine breite Palette von Programmen und Anwendungen verbündeter Nationen/Programme bedienen, die jeweils unterschiedliche Leistungsanforderungen haben, ohne dass eine vollständige Neuqualifizierung erforderlich ist.

Wie wichtig sind Reserven bei der Leistungsdichte?

Während der VPX-Formfaktor feststeht, muss die Leistung, die eine Karte in diesem Gehäuse liefern kann, nicht festgelegt sein.

Heute schreiben Programme in der Regel 28-V-Eingangskarten vor, die in einem einzelnen 3U-Steckplatz etwa 800 W liefern. Allerdings treiben die elektronische Kriegsführung der nächsten Generation, gerichtete Energie und Edge-KI-Nutzlasten die Anforderungen bereits auf 1 kW und darüber hinaus innerhalb desselben Formfaktors. Ein Anbieter, dessen Karte bereits an der Obergrenze seiner internen Topologie angelangt ist, hat innerhalb des Steckplatzes keinen Upgrade-Pfad, und die Erfüllung des höheren Leistungsbedarfs würde ein neues Board-Design, eine neue Qualifizierung sowie neuen Integrationsaufwand für das Gehäuse bedeuten. Diese Kosten vervielfachen sich schnell, wenn sie auf die gesamte Programmfamilie angewendet werden.

Stattdessen sollten Entwickler mit Anbietern zusammenarbeiten, deren interne Module sich weiterhin in der Leistungsdichte verbessern. So kann ein Anbieter, der modulare, sich weiterentwickelnde DC/DC-Wandler einsetzt, die Kartenleistung mit fortschreitender Modulentwicklung steigern, ohne die Leiterplattenfläche zu verändern oder eine neue Gehäusequalifizierung auszulösen. Der Spielraum bei der Leistungsdichte schafft zudem Platz in benachbarten Steckplätzen. Eine 3U-Stromversorgungskarte, die mehr Leistung pro Steckplatz liefert, lässt Raum für zusätzliche Nutzlastkarten und erweitert so die Systemfähigkeiten, ohne dass ein größeres Gehäuse erforderlich ist.

Aus diesen Gründen sollten Entwickler, die Anbieter von Stromversorgungskarten evaluieren, nach der Roadmap für die internen Module des Anbieters fragen.

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Lieferantentiefe und vertikale Integration

Das wettbewerbsorientierte Ökosystem von SOSA bietet nur dann einen Mehrwert, wenn seine Lieferanten die Programmvolumina auch bei zunehmender Skalierung erfüllen können.

Zu bedenken ist, dass ein Produktionsauftrag für eine einzelne Plattform Zehntausende Einheiten pro Jahr erfordern kann und dass ein Auftrag für mehrere Plattformen dies über mehrere Produktionslinien hinweg über Jahrzehnte hinweg ausweiten könnte. Um das Programm so lange und in diesem Umfang am Laufen zu halten, ist ein Lieferant erforderlich, der eine wirklich stabile Lieferkette, Fertigungskapazitäten und finanzielle Kontinuität nachweisen kann.

Vertikal integrierte Lieferanten sind deutlich besser geeignet, solche Anforderungen zu erfüllen (Bild 3). Ein Lieferant, der seine DC/DC-Wandlermodule in eigenen Anlagen fertigt, kontrolliert die wichtigsten Elemente seiner Stückliste, ohne auf externe Anbieter angewiesen zu sein. Ein solcher Lieferant kann seine eigene Produktion direkt planen, ohne dass eine Zwischenebene Störungen in der Lieferkette auffangen oder verstärken muss.

Ein Lieferant, der diese Module an andere VPX-Kartenentwickler verkauft, verfügt zudem über Echtzeit-Transparenz in der vorgelagerten Lieferkette. Sollte es entlang der Lieferkette für Verteidigungselektronik zu Zuteilungsengpässen kommen, kann ein Hersteller, der an der Spitze seiner eigenen Lieferkette steht, seine eigenen Kartenprogramme priorisieren und schneller auf Störungen reagieren als ein Lieferant, der Komponenten extern bezieht.

Für europäische Einkäufer, die zum ersten Mal einen in den USA ansässigen Lieferanten evaluieren, sollten finanzielle Stabilität und Fertigungstiefe ebenso wichtig sein wie die technischen Spezifikationen. Eine Stromversorgungskarte, die in der Qualifizierung gut abschneidet, aber von einem Lieferanten stammt, der nicht mit dem Programm mitwachsen kann, ist keine langfristige Lösung.

VPX-Karten auf Basis hochdichter, skalierbarer Leistungsmodule

Freedom Power, ein Unternehmen von Vicor, produziert 3U- und 6U-VPX-Stromversorgungskarten, die viele dieser Anforderungen erfüllen. Die Karten basieren auf den Wandlermodulen DCM und BCM von Vicor und haben folgende Vorteile:

●       qualifiziert nach MIL-STD-1275, -704 und -461 mit dokumentierten Testergebnissen;

●       modulare interne Architekturen, die nicht standardisierte Ausgangskonfigurationen für Europa und darüber hinaus unterstützen;

●       Leistung von 800 W im 3U-Formfaktor, mit einer klaren Roadmap, um 1,2 kW im gleichen Gehäuse zu erreichen;

●       vertikale Integration im Vicor-Ökosystem für höhere Zuverlässigkeit und geringere Stückkosten bei großen Projekten.

Mit diesen Merkmalen sind die Leistungsmodule von Freedom Power eine hervorragende Wahl für Entwickler von Verteidigungselektronik im In- und Ausland.

Welche Karte bleibt bei einem Rack-Upgrade vor Ort?

Mit der Einführung VPX-basierter offener Architekturen durch NATO-Verbündete und europäische Hauptauftragnehmer ist die Interoperabilität der Backplane-Hardware zur Grundvoraussetzung geworden. Zwar erfüllt jede Karte die Schnittstellenvorgaben, für den langfristigen Systemerfolg sind jedoch vor allem andere Faktoren entscheidend: der Umfang der Qualifizierung, die architektonische Flexibilität und die Stabilität der Lieferkette.

Durch die Zusammenarbeit mit Anbietern wie Freedom Power und Vicor können Entwickler im Verteidigungsbereich Elektronik bereitstellen, die den heutigen Anforderungen entspricht und mit dem Programm mitwächst, wenn sich die Nutzlasten weiterentwickeln oder die Einsatzgebiete erweitert werden. (bs)