【導(dǎo)讀】無人駕駛飛行器 (UAV) 或“無人機(jī)”正越來越多地用于重型應(yīng)用，如軍事、消防和農(nóng)業(yè)的地面?zhèn)刹?。以上這些應(yīng)用以及其他許多用例都要求無人機(jī)在空中飛行很長時間，所以電池不是一個選項(xiàng)。相反，無人機(jī)在飛行過程中通過一根系留電纜提供電源。
無人駕駛飛行器 (UAV) 或“無人機(jī)”正越來越多地用于重型應(yīng)用，如軍事、消防和農(nóng)業(yè)的地面?zhèn)刹?。以上這些應(yīng)用以及其他許多用例都要求無人機(jī)在空中飛行很長時間，所以電池不是一個選項(xiàng)。相反，無人機(jī)在飛行過程中通過一根系留電纜提供電源。
然而，系繩帶來了新的挑戰(zhàn)。較粗的系繩雖然電阻較低，但重量大，給無人機(jī)帶來更大的負(fù)荷，限制了其承載能力。細(xì)電纜雖然重量輕，但增加了電阻，且由于無人機(jī)系繩通常較長，因此會造成不可接受的功率耗散和電壓下降。工程師們正在尋求通過將系繩電壓提高到 800 伏來減少較細(xì)電纜帶來的損耗。這樣電壓的增加有助于降低一定功率要求下的電流。
然后，挑戰(zhàn)變成了處理無人機(jī)中的高電壓。無人機(jī)的配電網(wǎng)絡(luò)必須能夠接受高電壓并有效地將其降至無人機(jī)系統(tǒng)所需的低電壓。任何電源管理解決方案都必須是輕巧的，以盡量減少對飛行器承載能力的影響。
本文討論了系留無人機(jī)的高壓供電系統(tǒng)的優(yōu)勢。然后解釋了在為系留無人機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)配電網(wǎng)絡(luò)時，為什么高效率和高功率密度的總線轉(zhuǎn)換器模塊 (BCM) 和零電壓開關(guān) (ZVS) 降壓轉(zhuǎn)換器是一個很好的選擇。最后介紹了來自 Vicor 的 BCM 和 ZVS 降壓轉(zhuǎn)換器實(shí)例，用于幫助展示如何設(shè)計(jì)一個輕巧而高效的電源網(wǎng)絡(luò)。
電壓越高，電纜越輕
系繩讓設(shè)計(jì)者擺脫了電池對無人機(jī)的限制（圖 1）。假設(shè)地面有電源可用，無人機(jī)可以長時間保持在空中，能夠讓它們在觀察平臺或超視距無線電中繼器等應(yīng)用中發(fā)揮使用。缺點(diǎn)是，無人機(jī)必須將可能很重的電纜吊在高空，這可能限制其工作范圍和有效載荷（如相機(jī)或無線電設(shè)備）的承載能力。
圖 1：無人機(jī)可以利用通過系繩提供的電力在高空長時間停留。（圖片來源：Vicor）
商用無人機(jī)的各種系統(tǒng)需要多種直流電壓。例如，48 伏是電機(jī)的常見電壓，而 12 伏、5 伏和 3.3 伏是傳感器、執(zhí)行器和控制電子設(shè)備的典型電壓。細(xì)而輕的系繩有助于限制無人機(jī)的重量負(fù)荷，但電纜的電阻較高（電阻隨著電纜橫截面的減小而增大），在使用 48 伏電源時，會造成不可接受的高壓降（定義為電纜遠(yuǎn)端的電壓降大于源電壓的 3% 至 5%）和長電纜的功率耗散。
電纜的壓降和功率耗散與其所承載的電流成正比而不是電壓。因此，例如一架商業(yè)無人機(jī)需要 1.5 千瓦 (kW) 的恒定功率，通過 48 伏電源供電，將需要 1500/48=31.25 安培 (A) 的電流。我們可以通過提高電壓來提供相同的功率，從而降低電流要求，隨之便降低了電壓降和功率耗散。例如，使用 800 伏電源時需要的電流僅為 1500/800 = 1.9 A。這種供電電壓允許設(shè)計(jì)者安全地使用輕型電纜。
一種用于無人機(jī)的配電網(wǎng)絡(luò)
為了利用更高的供電電壓和更輕的系繩，工程師需要設(shè)計(jì)配電網(wǎng)絡(luò)，使系繩中攜帶的高電壓能夠安全有效地降至無人機(jī)系統(tǒng)所需的工作電壓。
圖 2 顯示了一個這樣網(wǎng)絡(luò)的實(shí)例。這個網(wǎng)絡(luò)是使用 Vicor 的 BCM 和 ZVS 降壓轉(zhuǎn)換器構(gòu)建的。
圖 2：系留無人機(jī)的配電網(wǎng)絡(luò)。請注意用于地面系統(tǒng)的 48 伏總線是如何在系繩中提升到 800 伏，然后在無人機(jī)上又如何降低到 48 伏的。（圖片來源：Vicor）
在這個例子中，BCM 將三相 208 伏的交流電轉(zhuǎn)換為 48 伏的直流電，供無人機(jī)的地面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)使用。然后 ZVS 降壓轉(zhuǎn)換器將 48 伏的電源減少到各個地面設(shè)備使用的 12、5 和 3.3 伏。隨后 48 伏的直流電源由第二個 BCM 升壓到 800 伏，以盡量減少電壓下降和系繩中的功率損失。
在無人機(jī)上，由第三個 BCM 將電壓降低到 48 伏。無人機(jī)中的配電網(wǎng)絡(luò)包括進(jìn)一步的降壓轉(zhuǎn)換器，為相機(jī)、傳感器和邏輯器件提供適當(dāng)?shù)碾妷骸?br style="padding: 0px; margin: 0px auto;"/>
該應(yīng)用的推薦 BCM 是 Vicor 的 BCM4414VD1E5135C02 和 BCM4414VH0E5035M02，前者用于初始 208 伏交流電到 48 伏直流電的轉(zhuǎn)換， 后者用于 48 伏直流電到 800 伏直流電的轉(zhuǎn)換。
BCM4414VD1E5135C02 在 260 至 400 伏的總線上工作，提供 32.5 至 51.3 伏的低壓側(cè)輸出。該器件能夠提供最高 35 A 的連續(xù)低壓側(cè)電流，每立方厘米 (W/cm3) 功率密度高達(dá) 49 瓦，峰值效率為 97.7%（圖 3）。
圖 3：Vicor 的總線轉(zhuǎn)換器模塊在廣泛的低壓側(cè)電流范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的效率 (TCASE = 25?C)。（圖片來源：Vicor）
BCM4414VH0E5035M02 在 500 至 800 伏的總線上運(yùn)行，提供 31.3 至 50.0 伏的低壓側(cè)輸出，最大連續(xù)功率輸出為 1.5 千瓦。連續(xù)低壓側(cè)電流、功率密度和峰值效率與其姐妹產(chǎn)品相同。BCM 采用 110.5 x 35.5 x 9.4 毫米 (mm) 的外殼，重 145克 (g)。
Vicor BCM 還提供了靈活的熱管理選擇，其頂部和底部的熱阻非常低。通過使用這些器件，電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)者能夠減少系繩以及地面供電設(shè)施和無人機(jī)的的尺寸和重量。
Vicor 的 BCM 是 DC-DC 電源，因此在圖 2 中的第一個 BCM 之前，必須將最初的三相 208 伏交流輸入轉(zhuǎn)換為直流。適用于交流整流的器件是 Vicor 交流輸入模塊 (AIM) ，如 AIM1714VB6MC7D5C00（圖 4）。AIM 設(shè)備可以接受 85-264 伏的交流輸入，并提供一個整流的交流輸出，電流最高 5.3 A，功率最高 450 瓦。
圖 4：BCM 需要一個整流的交流輸入。像 Vicor 的三相 AIM 模塊這樣的設(shè)備就提供了一個解決方案。（圖片來源：Vicor）
具有高功率密度和靈活性的降壓調(diào)節(jié)
一旦地面站或無人機(jī)中的 BCM 將電壓調(diào)節(jié)到 48 伏直流，就需要 ZVS 降壓轉(zhuǎn)換器來進(jìn)一步降低電壓，以便向各個系統(tǒng)供電。特別是在無人機(jī)中，降壓轉(zhuǎn)換器必須具有高功率密度和高效率，如此才能形成一個緊湊、輕量的電源。ZVS 降壓穩(wěn)壓器很適合這項(xiàng)任務(wù)。
傳統(tǒng)的穩(wěn)壓器 MOSFET 內(nèi)的開關(guān)損耗是效率低下一個主要因素，對功率密度有負(fù)面影響。ZVS 克服了這些損耗，對于以相對較高電壓輸入操作的降壓轉(zhuǎn)換器來說是一個特別的優(yōu)勢。
ZVS（亦稱“軟開關(guān)”）的機(jī)制很復(fù)雜，但可以把它看成 MOSFET 導(dǎo)通期間的傳統(tǒng)脈寬調(diào)制 (PWM) 功率轉(zhuǎn)換，但具有“諧振”開關(guān)交越。輸出電壓的調(diào)節(jié)是通過改變開關(guān)穩(wěn)壓器的轉(zhuǎn)換頻率來調(diào)節(jié)有效占空比（如此便調(diào)節(jié)了“開啟”時間）實(shí)現(xiàn)的。
在 ZVS 開關(guān)關(guān)斷期間，穩(wěn)壓器的 L-C 電路發(fā)生諧振，使該開關(guān)上的電壓從零跨越至峰值，然后在該開關(guān)被再次激活時回零。在這個過程中，無論工作頻率和輸入電壓如何，開關(guān)穩(wěn)壓器的 MOSFET 交越損耗為零，這意味著大大節(jié)省了功率，并大幅提高了效率。參見《零電壓開關(guān)及其電壓調(diào)節(jié)重要性綜述》。）
Vicor 生產(chǎn)一系列 ZVS 降壓穩(wěn)壓器，與控制電路、功率半導(dǎo)體和支持組件一起集成在高密度 LGA、BGA 和系統(tǒng)級封裝 (SiP) 器件中。開關(guān)穩(wěn)壓器是對無人機(jī)配電電路其他部分所使用 BCM 的補(bǔ)充。ZVS 降壓穩(wěn)壓器為高效率的負(fù)載點(diǎn) (PoL) DC-DC 調(diào)節(jié)提供了良好的功率密度和靈活性。它們可以用來將 48 伏總線有效地降壓到 3.3、5 和 12 伏，以用于其他無人機(jī)子系統(tǒng)。
ZVS 降壓穩(wěn)壓器的例子包括 PI352x-00 系列。PI352x-00 穩(wěn)壓器只需要一個外部電感器、兩個電壓選擇電阻器和最少的電容器就可以構(gòu)成一個完整的 DC-DC 開關(guān)模式降壓穩(wěn)壓器。所有穩(wěn)壓器都在 30 至 60 伏輸入條件下工作。該系列有三個器件：1. PI3523-00，提供標(biāo)稱 3.3 伏輸出（2.2 至 4 伏范圍）和最高 22 A 的電流；2. PI3525-00，提供標(biāo)稱 5.0 伏輸出（4 至 6.5 伏范圍）和最高 20 A 的電流；3. PI3526-00，提供標(biāo)稱 12 伏輸出（6.5 至 14 伏范圍）和最高 18 A 的電流。這些器件均以 10 x 14 x 2.56 mm 的 LGA SiP 提供。
給功率密度網(wǎng)絡(luò)添加 ZVS 穩(wěn)壓器
我們需要進(jìn)行一些設(shè)計(jì)工作來優(yōu)化無人機(jī)配電網(wǎng)絡(luò)中的 ZVS 降壓穩(wěn)壓器的性能。圖 5 顯示了 PI352x-00 系列的每個成員所需的外部元件。
圖 5：Vicor ZVS 降壓穩(wěn)壓器需要一個外部電感器、一個設(shè)置輸出電壓的電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)以及用于濾波的電容器。（圖片來源：Vicor）
這些器件都需要一個外部電感器。Vicor 計(jì)算了儲能裝置的電感值，以使效率最大化。對于 PI3523 和 PI3525 穩(wěn)壓器，建議使用 230 納亨 (nH) 電感器，而對于 P13526，建議使用 480 nH 電感器。
雖然 PI352x-00 系列的每個成員都能直接處理來自各自 BCM 的 48 伏直流輸入（降壓穩(wěn)壓器的輸入范圍為 30 至 60 伏直流），但設(shè)置輸出電壓需要選擇輸出電阻器（REA1 和 REA2），這兩個電阻器共同構(gòu)成了一個電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)。
無論輸出電壓如何，REA2 都應(yīng)設(shè)置為 1 千歐 (kΩ) ，以獲得最佳的抗噪能力。REA1 的值則可以通過以下公式計(jì)算：
公式 1
除了電感值外，Vicor 還推薦了 CIN 和 COUT 電容器的值，以確保功率級的正確啟動和高頻去耦。當(dāng)市電高壓側(cè) MOSFET 導(dǎo)通時，PI352x-00 系列幾乎從其低阻抗陶瓷電容器中吸取所有高頻電流。然后，在 MOSFET 關(guān)閉期間，電容器會從電源充電。表 1 列出了電容值和由此產(chǎn)生的紋波電流和電壓。
產(chǎn)品 負(fù)載電流 (A) CIN COUT CIN 紋波電流 (IRMS) COUT 紋波電流 (IRMS) VIN 紋波 (mVPP) VOUT 紋波 (mVPP) 載荷步（額定值的 %） (1 A/μs) 不包括紋波的瞬時偏差 (mVpk) VOUT 恢復(fù)時間 (μs)
PI3523 22 10 x 2.2 μF 8 x 100 μF 7.3 16.1 900 75 50 至 100 110 <80
PI3525 20 10 x 2.2 μF 12 x 47 μF 8.0 14 960 75 50 至 100 160 <80
PI3526 18 10 x 2.2 μF 8 x 10 μF 10.1 11 700 210 50 至 100 260 <80
表 1：Vicor P1352x 輸入和輸出電容器在標(biāo)稱線電壓和標(biāo)稱微調(diào)值下的推薦值。（表格來源：Vicor）
為確保 PI352x-00 系列的最佳效率和低電磁干擾 (EMI)，最小的印制線電阻和大電流環(huán)路回流，以及合適的元器件放置，都是至關(guān)重要的。圖 6 顯示了穩(wěn)壓器和外部元件的推薦布局。這是 PI3526-00-EVAL1 PI352x-00 評估板采用的布局。
圖 6：Vicor ZVS 穩(wěn)壓器、電感器以及輸入和輸出電容器的最佳布局。（圖片來源：Vicor）
圖 6 中的藍(lán)色回路表示輸入和輸出電容器（以及 VIN 和 VOUT）之間的緊密路徑，用于穩(wěn)壓器的高 AC 回流，從而幫助提高能效。
結(jié)語
為了優(yōu)化無人機(jī)的航程和負(fù)載能力，工程師們已經(jīng)轉(zhuǎn)而采用高電壓的系繩。這些措施都最大限度地減少了電纜中的功率耗散和電壓降。然而，高系繩電壓就需要安全和有效地調(diào)節(jié)到總線電壓，然后進(jìn)一步降低到無人機(jī)各個電子系統(tǒng)所需的供電電壓。
Vicor 的高功率密度和高能效 BCM 為降低和提升地面站、系繩和無人機(jī)之間的電壓提供了一個易于實(shí)現(xiàn)的解決方案。這些 BCM 借助于低開關(guān)損耗的 ZVS 降壓轉(zhuǎn)換器，在將總線電壓降至無人機(jī)各子系統(tǒng)所需的 3.3、5 和 12 伏電壓時，能效更是高達(dá) 97%。
(作者：Steven Keeping)
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