如何為系留無人機設計高效的模塊化供電網絡

無人駕駛飛行器 (UAV) 或“無人機”正越來越多地用于重型應用，如軍事、消防和農業的地面偵察。以上這些應用以及其他許多用例都要求無人機在空中飛行很長時間，所以電池不是一個選項。相反，無人機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”正越來越多地用于重型應用，如軍事、消防和農業的地面偵察。以上這些應用以及其他許多用例都要求無人機在空中飛行很長時間，所以電池不是一個選項。相反，無人機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。較粗的系繩雖然電阻較低，但重量大，給無人機帶來更大的負荷，限制了其承載能力。細電纜雖然重量輕，但增加了電阻，且由于無人機系繩通常較長，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，挑戰變成了處理無人機中的高電壓。無人機的配電網絡必須能夠接受高電壓并有效地將其降至無人機系統所需的低電壓。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的高壓供電系統的優勢。然后解釋了在為系留無人機應用設計配電網絡時，為什么高效率和高功率密度的總線轉換器模塊 (BCM) 和零電壓開關 (ZVS) 降壓轉換器是一個很好的選擇。最后介紹了來自 Vicor 的 BCM 和 ZVS 降壓轉換器實例，用于幫助展示如何設計一個輕巧而高效的電源網絡。

電壓越高，電纜越輕

系繩讓設計者擺脫了電池對無人機的限制（圖 1）。假設地面有電源可用，無人機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用中發揮使用。缺點是，無人機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（如相機或無線電設備）的承載能力。

圖 1：無人機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）

商用無人機的各種系統需要多種直流電壓。例如，48 伏是電機的常見電壓，而 12 伏、5 伏和 3.3 伏是傳感器、執行器和控制電子設備的典型電壓。細而輕的系繩有助于限制無人機的重量負荷，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，例如一架商業無人機需要 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計者安全地使用輕型電纜。

一種用于無人機的配電網絡

為了利用更高的供電電壓和更輕的系繩，工程師需要設計配電網絡，使系繩中攜帶的高電壓能夠安全有效地降至無人機系統所需的工作電壓。

圖 2 顯示了一個這樣網絡的實例。這個網絡是使用 Vicor 的 BCM 和 ZVS 降壓轉換器構建的。

圖 2：系留無人機的配電網絡。請注意用于地面系統的 48 伏總線是如何在系繩中提升到 800 伏，然后在無人機上又如何降低到 48 伏的。（圖片來源：Vicor）

在這個例子中，BCM 將三相 208 伏的交流電轉換為 48 伏的直流電，供無人機的地面計算機系統使用。然后 ZVS 降壓轉換器將 48 伏的電源減少到各個地面設備使用的 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。

在無人機上，由第三個 BCM 將電壓降低到 48 伏。無人機中的配電網絡包括進一步的降壓轉換器，為相機、傳感器和邏輯器件提供適當的電壓。

該應用的推薦 BCM 是 Vicor 的 BCM4414VD1E5135C02 和 BCM4414VH0E5035M02，前者用于初始 208 伏交流電到 48 伏直流電的轉換， 后者用于 48 伏直流電到 800 伏直流電的轉換。

BCM4414VD1E5135C02 在 260 至 400 伏的總線上工作，提供 32.5 至 51.3 伏的低壓側輸出。該器件能夠提供最高 35 A 的連續低壓側電流，每立方厘米 (W/cm3) 功率密度高達 49 瓦，峰值效率為 97.7%（圖 3）。

圖 3：Vicor 的總線轉換器模塊在廣泛的低壓側電流范圍內表現出良好的效率 (TCASE = 25?C)。（圖片來源：Vicor）

BCM4414VH0E5035M02 在 500 至 800 伏的總線上運行，提供 31.3 至 50.0 伏的低壓側輸出，最大連續功率輸出為 1.5 千瓦。連續低壓側電流、功率密度和峰值效率與其姐妹產品相同。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，電源系統設計者能夠減少系繩以及地面供電設施和無人機的的尺寸和重量。

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節

一旦地面站或無人機中的 BCM 將電壓調節到 48 伏直流，就需要 ZVS 降壓轉換器來進一步降低電壓，以便向各個系統供電。特別是在無人機中，降壓轉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 降壓穩壓器很適合這項任務。

傳統的穩壓器 MOSFET 內的開關損耗是效率低下一個主要因素，對功率密度有負面影響。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換器來說是一個特別的優勢。

ZVS（亦稱“軟開關”）的機制很復雜，但可以把它看成 MOSFET 導通期間的傳統脈寬調制 (PWM) 功率轉換，但具有“諧振”開關交越。輸出電壓的調節是通過改變開關穩壓器的轉換頻率來調節有效占空比（如此便調節了“開啟”時間）實現的。

在 ZVS 開關關斷期間，穩壓器的 L-C 電路發生諧振，使該開關上的電壓從零跨越至峰值，然后在該開關被再次激活時回零。在這個過程中，無論工作頻率和輸入電壓如何，開關穩壓器的 MOSFET 交越損耗為零，這意味著大大節省了功率，并大幅提高了效率。參見《零電壓開關及其電壓調節重要性綜述》。）

Vicor 生產一系列 ZVS 降壓穩壓器，與控制電路、功率半導體和支持組件一起集成在高密度 LGA、BGA 和系統級封裝 (SiP) 器件中。開關穩壓器是對無人機配電電路其他部分所使用 BCM 的補充。ZVS 降壓穩壓器為高效率的負載點 (PoL) DC-DC 調節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，以用于其他無人機子系統。

ZVS 降壓穩壓器的例子包括 PI352x-00 系列。PI352x-00 穩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成一個完整的 DC-DC 開關模式降壓穩壓器。所有穩壓器都在 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。

給功率密度網絡添加 ZVS 穩壓器

我們需要進行一些設計工作來優化無人機配電網絡中的 ZVS 降壓穩壓器的性能。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 降壓穩壓器需要一個外部電感器、一個設置輸出電壓的電阻分壓器網絡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 計算了儲能裝置的電感值，以使效率最大化。對于 PI3523 和 PI3525 穩壓器，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（降壓穩壓器的輸入范圍為 30 至 60 伏直流），但設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成了一個電阻分壓器網絡。

無論輸出電壓如何，REA2 都應設置為 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。當市電高壓側 MOSFET 導通時，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 關閉期間，電容器會從電源充電。表 1 列出了電容值和由此產生的紋波電流和電壓。

產品        負載電流 (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稱線電壓和標稱微調值下的推薦值。（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路回流，以及合適的元器件放置，都是至關重要的。圖 6 顯示了穩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，用于穩壓器的高 AC 回流，從而幫助提高能效。

結語

為了優化無人機的航程和負載能力，工程師們已經轉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節到總線電壓，然后進一步降低到無人機各個電子系統所需的供電電壓。

Vicor 的高功率密度和高能效 BCM 為降低和提升地面站、系繩和無人機之間的電壓提供了一個易于實現的解決方案。這些 BCM 借助于低開關損耗的 ZVS 降壓轉換器，在將總線電壓降至無人機各子系統所需的 3.3、5 和 12 伏電壓時，能效更是高達 97%。

(作者：Steven Keeping)