采用DC-DC模塊的無人機（UAV）電源解決方案

摘要：
在設計針對無人機（UAV）的電源系統(tǒng)時，設計人員所關心的參數是尺寸（S）、重量（W）、功率密度（P）、功率重量比、效率、熱管理、靈活性和復雜性。

體積小、重量輕、功率密度高（SWaP）可以讓無人機攜帶更多的有效載荷，飛行和續(xù)航時間更長，并完成更多的任務。

更高的效率可以盡可能利用能源效率，最大限度地提高續(xù)航時間和飛行時間，也使熱管理盡可能容易，因為即使是更少的功率損耗都會傳遞熱量。

高度靈活性和低復雜性可以使電源系統(tǒng)設計更加容易，并讓無人機設計人員專注于無人機設計的其他部分，而不是花太多時間在電源系統(tǒng)設計；它縮短了設計時間，并使設計變得不那么復雜。

為了利用以上提到的優(yōu)勢，Vicor模塊電源解決方案可以用最全面產品組合的高效率、高密度、配電架構，為性能關鍵的無人機應用提供完整的電源解決方案。

無人機的種類：
無人機可以從遠程位置進行控制，或基于預先配置來自動運行。無人機有許多應用，從取保候審（recognizance）到消防，都可以由不同類別的無人機實現。

無人機的電源：
根據子系統(tǒng)的負載要求，無人機有幾種可供選擇的電源。
鋰離子電池是一種常用的電源，由于體積小和成本較低，是100瓦和運行數天的無人機的理想選擇。

為了有更高的能量密度和功率密度，還可以選擇其他替代電源，包括太陽能電池系統(tǒng)、燃氣輪機、柴油發(fā)電機等。

無人機的典型電源鏈：

圖1（UAV電源鏈）

在典型無人機電源鏈中，有一個基于渦輪的發(fā)電機提供3相ac電源，通過整流器轉換為270V dc，然后通過隔離式DC-DC轉換器轉換為48V dc或28V dc。

系統(tǒng)和數據鏈路，其中每一個都需要一個3.3V、5V和12V等的電壓范圍。因此，下游DC-DC轉換器或niPoL（非隔離式負載點）需要為負載提供28V或48V dc母線所需的電壓。

為了實現高效率，高電壓DC母線（270V、48V或28V）沿著無人機的電源鏈進行優(yōu)先配電。由配電引起的功率損耗基于I2R（R為線電阻），由于較高的電壓可以最大限度地降低損耗，從而降低了電流；尤其是大型無人機，還有很長的配電長度。

在安全方面，在高電壓DC母線（270V）和低電壓DC母線之間需要進行隔離，當低于60V的電壓與高電壓隔離開時，就符合了SELV（安全特低電壓）要求。

基于圖1所示的電源鏈，有兩級DC-DC轉換，由于穩(wěn)壓在下一級完成，其中第一級需要隔離和非穩(wěn)壓的DC-DC轉換器，而由于隔離在上游完成，第二級需要穩(wěn)壓和非隔離的DC-DC轉換器。為了獲得更高效率和更低成本的解決方案，隔離和穩(wěn)壓沒有在DC-DC轉換器的每個級重復。

270V至28V DC-DC轉換：

圖2

除了整流器，還有非隔離和非穩(wěn)壓的270V dc，通過MIL-COTS BCM（母線轉換器模塊）和MIL-COTS PRM（前置穩(wěn)壓器模塊）轉換到負載用的一個經隔離和穩(wěn)壓的電壓，如28V。

GaAs發(fā)射器：
270V至28V電源鏈的應用之一是GaAs發(fā)射器，如圖3所示。

圖3（GaAs發(fā)射器電源鏈）

有效載荷、GaAs發(fā)射器都需要超過200瓦的功率。為了滿足電力需求，需要將BCM模塊和PRM模塊并聯至電源陣列，以提高輸出功率。下面一段談談如何并聯具有均流能力的BCM和PRM。

BCM和PRM模塊可以配置超過1千瓦的電源陣列。

表1簡要說明了BCM和PRM的規(guī)格，以便可以幫助了解它們在270V至28V轉換的電源鏈中扮演了什么角色。

BCM模塊是一個隔離和非穩(wěn)壓的DC-DC轉換器模塊，可通過一個固定比、K系數為SELV輸出提供高輸入電壓。對于這個特定器件（MBCM270x450M270A00），K系數為1/6，因此輸出電壓始終為輸入電壓的1/6，270V輸入有45V輸出。

PRM模塊是一個為負載提供穩(wěn)壓的穩(wěn)壓和非隔離的DC-DC轉換器模塊。由于PRM輸出電壓可以調整，針對GaAs發(fā)射器它可以調低至28V。

圖4（GaAs發(fā)射器解決方案的效率）

BCM是一個隔離和非穩(wěn)壓的DC-DC轉換器。
PRM是一個穩(wěn)壓和非隔離的DC-DC轉換器。

在上一段已經提到，隔離和穩(wěn)壓并沒有由DC-DC轉換的每個級，或電源鏈中的具體DC-DC轉換器進行重復，為的是獲得更高的效率。

因此，通過使用BCM和PRM模塊，270V至28V DC-DC轉換的整體效率達到了93.12%。

并聯BCM和PRM的技術：

圖5a（并聯BCM）

圖5b（并聯BCM）

在并聯BCM模塊的同時，通過阻抗匹配而不是并聯信號實現均流，很容易連接每個BCM模塊的輸入和輸出，如圖5a和5b所示。并聯BCM應考慮以下幾點。

1. 通過對稱布局完成輸入和輸出互連阻抗匹配，如圖5b所示。

2） 均勻冷卻使具體BCM模塊溫度彼此接近。

3） 每個BCM模塊的啟用/禁用信號（PC引腳）都需要在同一時間連接來啟動每個模塊。

圖6（并聯PRM）

為了并聯PRM模塊（圖6），需要使用并聯信號（PR引腳）來實現各個模塊的均流，同時，具體模塊的啟用/禁用信號（PC引腳）需要連接來同時啟動所有模塊。如圖6所示，一個PRM模塊可設置為一個電源陣列中的“主”，以驅動其他負責反饋和穩(wěn)壓的“從”PRM模塊。

正弦振幅轉換器（Sine Amplitude ConverterTM ，SACTM）拓撲結構：
母線轉換器模塊（BCM）采用SAC拓撲結構，從而實現了卓越的效率和功率密度。

圖7（SACTM 轉換器）

SAC拓撲結構是BCM模塊核心中的一個動態(tài)、高性能引擎。
SAC是基于變壓器的串聯諧振拓撲結構，它在等于初級側儲能電路諧振諧振頻率的固定頻率下工作。初級側的開關FET被鎖定在初級的自然諧振頻率，在零交叉點來開關，從而消除了開關中的功耗，提高了效率并大大減少了高階噪聲諧波的產生。初級的諧振回路是純正弦波（圖7所示），從而可降低諧波含量，提供了更干凈的輸出噪聲頻譜。由于SAC的高工作頻率，可使用較小的變壓器來提高功率密度和效率。

ZVS升壓-降壓拓撲結構：

PRM（前置穩(wěn)壓器模塊）采用一個專利升壓-降壓穩(wěn)壓器控制架構，以提供高效率升壓/降壓穩(wěn)壓。

圖8（ZVS升壓-降壓）

PRM在固定開關頻率下工作，通常在1 MHz（最大1.5 MHz），它還具有提高輸出功率的并聯能力。ZVS升壓-降壓開關順序是相同的，無論它是降壓還是升壓。

ZVS升壓-降壓拓撲結構有四個級。
- Q1和Q4導通為變壓器儲存能量，然后是ZVS過渡的Q3導通
- Q1和Q3導通為從輸入到輸出提供路徑，然后是ZVS過渡的Q2導通
- Q2和Q3對續(xù)流級導通，然后是ZVS過渡的Q4導通
- 在箝位階段Q2和Q4導通，然后是ZVS過渡的Q1導通

完成4級之后，就是一個循環(huán)。

28V / 270V輸入源到多路輸出DC-DC轉換：

圖9（270V / 28V到多路輸出）

由于有效載荷，如航空、數據鏈路、雷達、飛行控制系統(tǒng)都需要一個15V、12V、5V、3.3V的電壓范圍，需要下游DC-DC轉換器或niPoL提供所需電壓作為有效載荷的多路輸出。

除了整流器，還有非穩(wěn)壓和非隔離的270Vdc，這個MIL-COTS DCM DC-DC轉換器和Picor ZVS降壓穩(wěn)壓器可提供經隔離和穩(wěn)壓的多路輸出。

在第一級，MDCM DC-DC將一個非穩(wěn)壓輸入（28V或270V）轉換為一個經隔離和穩(wěn)壓的28V，然后通過下游非隔離式ZVS穩(wěn)壓器轉換為多路輸出。

在后一級，Coop Power ZVS降壓穩(wěn)壓器將28V轉換為負載所需的電壓。

表2簡要說明了DCM和Picor ZVS降壓穩(wěn)壓器的規(guī)格，所以，它可以幫助了解它們在270V / 28V的電源鏈工作時對多路輸出轉換的作用。

表2

圖10（多路輸出解決方案的效率）

DCM是一個隔離和穩(wěn)壓的DC-DC轉換器。

ZVS降壓穩(wěn)壓器是一個穩(wěn)壓和非隔離的DC-DC轉換器。
在上一段已經提到，為了有更高的效率，不會重復隔離和穩(wěn)壓。

雖然穩(wěn)壓是由DCM和ZVS降壓穩(wěn)壓器重復進行的，由于ZVS降壓穩(wěn)壓器的高效率，從高電壓到所需電壓的整體效率可以達到高于90%。

ChiP——轉換器級封裝：

圖11（ChiP等效電路熱模型）

DCM DC-DC轉換器通過突破性封裝技術——轉換器級封裝（ChiP）技術進行封裝。

為了實現更高的功率效率、密度和設計靈活性，需要功率元件封裝技術的持續(xù)改進，因此，ChiP的推出優(yōu)化了電氣和熱性能。

ChiP產品的設計在PCB兩面都有功率元件，可減少由于寄生的損耗，通過整個封裝均勻徹底地散熱，并利用了頂部和底部表面散熱。

ChiP產品封裝在熱增強型模壓化合物中，降低了溫差，為便于使用熱管理配件，提供了平整的模塊頂部和底部表面，如散熱器、冷板、熱管等。

ZVS降壓拓撲結構：
如圖11所示，除了一個連接在輸出電感器兩端的附加箝位開關，ZVS降壓拓撲結構與傳統(tǒng)降壓轉換器相同。增加的箝位開關允許將能量存儲在輸出電感器中，用來實現零電壓開關。

圖12（ZVS降壓拓撲結構）

圖12顯示了ZVS降壓拓撲結構的時序圖，它主要由三個狀態(tài)組成，如下所示。

- Q1導通階段
o 假設Q1在諧振過渡后的近零電壓開啟。當D-S電壓幾乎為零時，Q1在零電流開啟。MOSFET和輸出電感器中的電流斜升，準時達到由Q1決定的峰值電流。在Q1導通階段，能量存儲在輸出中，并為輸出電容器充電。在Q1導通階段，Q1中的功耗是由MOSFET導通電阻決定的；開關損耗可以忽略不計。

- Q2導通階段
o Q1迅速關閉，接著是一個很短時間的體二極管導通，這增加了可以忽略不計的功耗。接下來，Q2開啟，存儲在輸出電感器中的能量被傳送到負載和輸出電容器。當電感器電流達到零時，同步MOSFET保持足夠長的時間，在輸出電感器中存儲一些來自輸出電容器的能量。電感器電流為負值。

- 箝位階段

• 一旦控制器已確定有足夠的能量存儲在電感器中，同步MOSFET關閉，箝位開關開啟，箝位Vs節(jié)點至輸出電壓。箝位開關隔離輸出電感器電流與輸出，同時以幾乎無損的方式用電流來循環(huán)存儲的能量。在箝位階段，由輸出電容器提供的輸出在該階段持續(xù)很短時間。
• 當箝位階段結束時，箝位開關被打開。輸出電感器中儲存的能量與Q1和Q2輸出電容產生諧振，導致Vs節(jié)點對輸入電壓振鈴。
• 這個振鈴對Q1的輸出電容放電，減少了Q1的米勒電荷，并為Q2的輸出電容充電。當Vs節(jié)點幾乎等于輸入電壓時，這允許以無損方式方式開啟Q1。

圖13（ZVS降壓時序圖）

無人機的軍用標準
在一些無人機應用中，需要滿足MIL-STD-461 MIL-STD-704/1275等軍用標準，分別代表EMI和瞬態(tài)。

Vicor還提供濾波模塊，以及兼容Vicor DC-DC轉換器來滿足標準要求。

表3顯示了Vicor濾波模塊選項，它可以符合特定軍用標準，同時兼容一起使用的Vicor DC-DC模塊。

表3

無人機數據鏈的電源解決方案：

圖13（無人機數據鏈解決方案）

對于無人機數據鏈解決方案，Picor濾波模塊（MPQI-18）和DC-DC模塊（Cool-Power PI31xx）可用來提供針對12V和15V的50W（總共100W），以符合MIL-STD-461E EMI要求。

MQPI-18是一個采用LGA封裝（25×25×4.5mm，2.4G）的濾波模塊，用來滿足MIL-STD-461E的EMI要求。

MIL級Cool-Power DC-DC轉換器采用PSiP（22×16.5×6.7mm，7.8g）封裝，用來為所需電壓提供寬范圍輸入（16-50V）。

采用Picor濾波模塊和DC-DC轉換器模塊的解決方案可以兼容MIL-STD461E，而不是大尺寸的被動元件，可實現無人機數據鏈及其他設備的高密度電源解決方案。

結論：
利用Vicor模塊化電源解決方案，可以使無人機電源系統(tǒng)設計具有體積小、重量輕和高密度的特點，攜帶更多有效載荷和執(zhí)行更多任務。

同時，Vicor將提供創(chuàng)新、高性能和良好品質的電源元件/解決方案，為客戶提供競爭優(yōu)勢。