無人機(jī) (UAV) 或“無人機(jī)”越來越多地用于重型應(yīng)用，例如軍事、消防和農(nóng)業(yè)的地面?zhèn)刹臁＿@些和許多其他用例要求無人機(jī)長時(shí)間在空中飛行，因此電池不是一種選擇。相反，無人機(jī)在飛行期間通過系留電纜供電。

　　然而，系繩帶來了新的挑戰(zhàn)。較厚的系繩提供較低的電阻，但對無人機(jī)施加更大的負(fù)載，限制了其承載能力。細(xì)電纜會增加電阻，導(dǎo)致無人機(jī)系繩通常很長的長度上出現(xiàn)不可接受的功耗和電壓降。工程師們希望通過將系線電壓提高到 800 伏來克服與更細(xì)電纜相關(guān)的損耗。這種增加有助于降低給定功率要求的電流。

　　然后，挑戰(zhàn)就變成了處理無人機(jī)中的高壓。無人機(jī)的配電網(wǎng)絡(luò)必須能夠承受高壓，并有效地將其降壓到無人機(jī)系統(tǒng)所需的較低電壓。任何電源管理解決方案都必須輕巧緊湊，以盡量減少對車輛承載能力的影響。

　　本文討論了系留無人機(jī)高壓供電系統(tǒng)的優(yōu)勢。然后解釋了為什么在為系留無人機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)配電網(wǎng)絡(luò)時(shí)，高效率和高功率密度母線轉(zhuǎn)換器模塊 (BCM) 和零電壓開關(guān) (ZVS) 降壓 (“降壓”) 電壓轉(zhuǎn)換器是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。BCM 和 ZVS 降壓轉(zhuǎn)換器示例 Vicor 介紹并用于幫助展示如何設(shè)計(jì)輕巧而高效的電網(wǎng)。

　　更高的電壓使電纜更輕

　　系繩使設(shè)計(jì)人員擺脫了電池對無人機(jī)的限制(圖 1)。假設(shè)地面電源可用，無人機(jī)可以長時(shí)間保持空中飛行，允許它們在觀察平臺或超視距無線電中繼等應(yīng)用中運(yùn)行。缺點(diǎn)是無人機(jī)必須將潛在的重型電纜吊到高處，這可能會限制其操作范圍和對相機(jī)或無線電設(shè)備等有效載荷的承載能力。

　　圖 1：無人機(jī)可以使用系繩供電長時(shí)間停留在空中。(圖片來源：維科)

　　商用無人機(jī)的各種系統(tǒng)需要多個(gè)直流電壓。例如，48 伏是電機(jī)的常見電壓，而 12、5 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。輕薄的系繩有助于限制無人機(jī)上的重量負(fù)載，但電纜的較高電阻(電阻隨著電纜橫截面的減小而增加)會導(dǎo)致不可接受的高壓降(定義為電壓降大于電纜遠(yuǎn)端源電壓的 3% 至 5%)和使用 48 伏電源時(shí)長電纜的功耗。

　　電纜的壓降和功耗與其承載的電流成正比，而不是與電壓成正比。因此，例如，需要通過 1.5 伏電源供電的 48 千瓦 (kW) 恒定功率的商用無人機(jī)將需要 1500/48 = 31.25 安培 (A) 的電流。通過增加電壓可以提供相同的功率，從而降低電流要求，從而降低電壓降和功耗。例如，使用 800 伏電源只需要 1500/800 = 1.9 A 的電流。這樣的電源使設(shè)計(jì)人員能夠安全地使用輕質(zhì)電纜。

　　無人機(jī)的供電網(wǎng)絡(luò)

　　為了利用更高電壓的電源和更輕的系線，工程師需要設(shè)計(jì)配電網(wǎng)絡(luò)，以便能夠安全有效地將系線中攜帶的高壓降壓到無人機(jī)系統(tǒng)所需的工作電壓。

　　圖 2 顯示了此類網(wǎng)絡(luò)的示例。該網(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 伏總線如何在系繩中提升到 800 伏，然后在無人機(jī)上降低到 48 伏。(圖片來源：維科)

　　在此示例中，BCM 將無人機(jī)地面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的三相 208 伏交流電源轉(zhuǎn)換為 48 伏直流電。ZVS 降壓轉(zhuǎn)換器將 48 伏電源降低到各個(gè)接地設(shè)備使用的 12、5 和 3.3 伏。然后將 48 伏直流電源升壓第二個(gè) BCM 至 800 伏，以最大限度地減少系線中的壓降和功率損耗。

　　在無人機(jī)上，第三個(gè)BCM然后將電壓降低回48伏。無人機(jī)中的配電網(wǎng)絡(luò)包括更多的降壓轉(zhuǎn)換器，為相機(jī)、傳感器和邏輯器件提供適當(dāng)?shù)碾妷骸?/span>

　　此應(yīng)用的建議 BCM 是 Vicor 的 BCM4414VD1E5135C02 用于初始 208 伏交流電到 48 伏直流電轉(zhuǎn)換，以及 BCM4414VH0E5035M02 用于 48 伏直流電到 800 伏直流電和反向轉(zhuǎn)換。

　　BCM4414VD1E5135C02 采用 260 至 400 V 總線工作，提供 32.5 至 51.3 V 的低側(cè)輸出。該器件提供高達(dá) 35 A 的連續(xù)低邊電流，每立方厘米 (W/cm ) 高達(dá) 49 瓦3)功率密度和97.7%的峰值效率(圖3)。

　　圖 3：Vicor 的總線轉(zhuǎn)換器模塊在寬低側(cè)電流范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的效率(T箱 = 25°C)。(圖片來源：維科)

　　BCM4414VH0E5035M02 采用 500 至 800 伏總線工作，低側(cè)輸出為 31.3 至 50.0 伏，最大連續(xù)功率輸出為 1.5 kW。連續(xù)低側(cè)電流、功率密度和峰值效率與其姊妹產(chǎn)品相同。BCM 采用 110.5 x 35.5 x 9.4 毫米 (mm) 外殼，重 145 克 (g)。

　　Vicor BCM 還提供靈活的熱管理選項(xiàng)，具有極低的頂部和底部熱阻抗。通過使用這些設(shè)備，電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠減小系繩以及地面電源和無人機(jī)的尺寸和重量。

　　Vicor BCM 是直流到直流電源，因此初始三相 208 伏交流輸入必須在圖 2 中的第一個(gè) BCM 之前轉(zhuǎn)換為直流。適合交流整流的設(shè)備是 Vicor 交流輸入模塊 (AIM)，例如 AIM1714VB6MC7D5C00 (圖 4。AIM器件可以接受85至264伏的交流輸入，并提供整流交流輸出，電流高達(dá)5.3 A，功率高達(dá)450瓦。

　　圖 4：BCM 需要整流交流輸入。Vicor的三相AIM模塊等設(shè)備提供了一種解決方案。(圖片來源：維科)

　　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 伏直流電，ZVS 降壓轉(zhuǎn)換器就需要進(jìn)一步降低各種系統(tǒng)供電線路的電壓。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效率，以便它們形成緊湊輕便的電源。ZVS 降壓穩(wěn)壓器非常適合這項(xiàng)任務(wù)。

　　傳統(tǒng)穩(wěn)壓器 MOSFET 中的開關(guān)損耗是效率低下的關(guān)鍵因素，并對功率密度產(chǎn)生負(fù)面影響。ZVS 解決了這些損耗問題，對于使用相對高電壓輸入工作的降壓轉(zhuǎn)換器來說，這是一個(gè)特別的優(yōu)勢。

　　ZVS(也稱為“軟開關(guān)”)的機(jī)制很復(fù)雜，但最好定義為MOSFET導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)的傳統(tǒng)脈寬調(diào)制(PWM)功率轉(zhuǎn)換，但具有“諧振”開關(guān)轉(zhuǎn)換。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(從而調(diào)整“導(dǎo)通”時(shí)間)來實(shí)現(xiàn)的。

　　在 ZVS 開關(guān)關(guān)斷期間，穩(wěn)壓器的 L-C 電路諧振，使開關(guān)兩端的電壓從零遍歷到峰值，然后在開關(guān)可以重新激活時(shí)再次下降到零。在此過程中，無論工作頻率和輸入電壓如何，開關(guān)穩(wěn)壓器的MOSFET的轉(zhuǎn)換損耗均為零，從而顯著節(jié)省功耗，并大幅提高效率。(請參閱”零電壓開關(guān)及其對電壓調(diào)節(jié)的重要性綜述".)

　　Vicor 生產(chǎn)一系列 ZVS 降壓穩(wěn)壓器，集成了高密度 LGA、BGA 和系統(tǒng)級封裝 (SiP) 器件中的控制電路、功率半導(dǎo)體和支持組件。開關(guān)穩(wěn)壓器補(bǔ)充了無人機(jī)配電電路其他部分使用的 BCM。ZVS 降壓穩(wěn)壓器具有良好的功率密度和靈活性，可實(shí)現(xiàn)高效負(fù)載點(diǎn) (PoL) DC-DC 穩(wěn)壓。它們可用于將其他無人機(jī)子系統(tǒng)的 48 伏總線有效地降壓到 3.3、5 和 12 伏。

　　ZVS 降壓穩(wěn)壓器的示例包括 PI352x-00 家庭。PI352x-00 穩(wěn)壓器只需要一個(gè)外部電感器、兩個(gè)電壓選擇電阻器和最少數(shù)量的電容器即可構(gòu)成一個(gè)完整的 DC-DC 開關(guān)模式降壓穩(wěn)壓器。所有穩(wěn)壓器均采用 30 至 60 V 輸入工作。該系列中有三種設(shè)備： 編號： PI3523-00，提供標(biāo)稱 3.3 伏輸出(2.2 至 4 伏范圍)和高達(dá) 22 A 的電流;這 PI3525-00，提供標(biāo)稱 5.0 伏輸出(4 至 6.5 伏范圍)和高達(dá) 20 A 的電流;和 編號： PI3526-00，提供標(biāo)稱 12 伏輸出(6.5 至 14 伏范圍)和高達(dá) 18 A 的電流。這些器件采用 LGA SiP 封裝，尺寸為 10 x 14 x 2.56 mm。

　　將 ZVS 穩(wěn)壓器添加到功率密度網(wǎng)絡(luò)中

　　需要一些設(shè)計(jì)工作來優(yōu)化無人機(jī)配電網(wǎng)絡(luò)中ZVS降壓穩(wěn)壓器的性能。圖 5 顯示了 PI352x-00 系列每個(gè)成員所需的外部組件。

　　圖 5：Vicor ZVS 降壓穩(wěn)壓器需要一個(gè)外部電感器、一個(gè)用于設(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：維科)

　　每個(gè)器件都需要一個(gè)外部電感器。Vicor 計(jì)算了儲能器件的電感值，以最大限度地提高效率。對于 PI3523 和 PI3525 穩(wěn)壓器，建議使用 230 納亨利 (nH) 電感，而建議使用 480 nH 電感器與 P13526 配合使用。

　　雖然 PI352x-00 系列的每個(gè)成員都可以直接處理來自相應(yīng) 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(REA1 和 REA2)，它們共同構(gòu)成電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)。

　　無論輸出電壓如何，REA2都應(yīng)設(shè)置為1 kΩ，以獲得最佳抗噪性。REA1 的值可以通過以下公式計(jì)算：

　　除電感器值外，Vicor 還推薦了 C 的值在 和 C外 電容器，以確保功率級的正確啟動和高頻去耦。當(dāng)主高側(cè) MOSFET 導(dǎo)通時(shí)，PI352x-00 系列從其低阻抗陶瓷電容器吸收幾乎所有高頻電流。然后，在MOSFET關(guān)斷期間，從源極補(bǔ)充電容。表1列出了電容值以及產(chǎn)生的紋波電流和電壓。

　　表 1：Vicor P1352x 輸入和輸出電容器在標(biāo)稱線路電壓和標(biāo)稱調(diào)整下的建議值。(表源：維科)

　　為確保 PI352x-00 系列的最佳效率和低電磁干擾 (EMI)，最小的走線電阻和高電流環(huán)路回路以及適當(dāng)?shù)脑胖弥陵P(guān)重要。圖6顯示了穩(wěn)壓器和外部元件的推薦布局。這是采用的布局 PI3526-00-EVAL1 PI352x-00 評估板。

　　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：維科)

　　圖6中的藍(lán)色環(huán)路表示輸入和輸出電容(和V)之間的緊密路徑在 和 V外)，用于穩(wěn)壓器的高交流返回電流，這有助于提高效率。

　　結(jié)論

　　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)向高壓系繩。這些器件可最大限度地減少電纜中的功耗和壓降。然而，高系線電壓需要安全有效地調(diào)節(jié)到總線電壓，然后進(jìn)一步降低到無人機(jī)電子系統(tǒng)所需的電源電壓。

　　Vicor 的高功率密度和高效 BCM 為降低和提升地面站、系繩和無人機(jī)之間的電壓提供了易于實(shí)施的解決方案。BCM 由低開關(guān)損耗 ZVS 降壓轉(zhuǎn)換器補(bǔ)充，當(dāng)總線電壓降至無人機(jī)各種子系統(tǒng)所需的 3.3、5 和 12 伏時(shí)，可提供 97% 的效率。