如何为系留无人机设计高效的模块化供电网络

作者：Steven Keeping

无人驾驶飞行器 (UAV) 或“无人机”正越来越多地用于重型应用，如军事、消防和农业的地面侦察。以上这些应用以及其他许多用例都要求无人机在空中飞行很长时间，所以电池不是一个选项。相反，无人机在飞行过程中通过一根系留电缆提供电源。

然而，系绳带来了新的挑战。较粗的系绳虽然电阻较低，但重量大，给无人机带来更大的负荷，限制了其承载能力。细电缆虽然重量轻，但增加了电阻，且由于无人机系绳通常较长，因此会造成不可接受的功率耗散和电压下降。工程师们正在寻求通过将系绳电压提高到 800 伏来减少较细电缆带来的损耗。这样电压的增加有助于降低一定功率要求下的电流。

然后，挑战变成了处理无人机中的高电压。无人机的配电网络必须能够接受高电压并有效地将其降至无人机系统所需的低电压。任何电源管理解决方案都必须是轻巧的，以尽量减少对飞行器承载能力的影响。

本文讨论了系留无人机的高压供电系统的优势。然后解释了在为系留无人机应用设计配电网络时，为什么高效率和高功率密度的总线转换器模块 (BCM) 和零电压开关 (ZVS) 降压转换器是一个很好的选择。最后介绍了来自 Vicor 的 BCM 和 ZVS 降压转换器实例，用于帮助展示如何设计一个轻巧而高效的电源网络。

电压越高，电缆越轻

系绳让设计者摆脱了电池对无人机的限制（图 1）。假设地面有电源可用，无人机可以长时间保持在空中，能够让它们在观察平台或超视距无线电中继器等应用中发挥使用。缺点是，无人机必须将可能很重的电缆吊在高空，这可能限制其工作范围和有效载荷（如相机或无线电设备）的承载能力。

图 1：无人机可以利用通过系绳提供的电力在高空长时间停留。（图片来源：Vicor）

商用无人机的各种系统需要多种直流电压。例如，48 伏是电机的常见电压，而 12 伏、5 伏和 3.3 伏是传感器、执行器和控制电子设备的典型电压。细而轻的系绳有助于限制无人机的重量负荷，但电缆的电阻较高（电阻随着电缆横截面的减小而增大），在使用 48 伏电源时，会造成不可接受的高压降（定义为电缆远端的电压降大于源电压的 3% 至 5%）和长电缆的功率耗散。

电缆的压降和功率耗散与其所承载的电流成正比而不是电压。因此，例如一架商业无人机需要 1.5 千瓦 (kW) 的恒定功率，通过 48 伏电源供电，将需要 1500/48=31.25 安培 (A) 的电流。我们可以通过提高电压来提供相同的功率，从而降低电流要求，随之便降低了电压降和功率耗散。例如，使用 800 伏电源时需要的电流仅为 1500/800 = 1.9 A。这种供电电压允许设计者安全地使用轻型电缆。

一种用于无人机的配电网络

为了利用更高的供电电压和更轻的系绳，工程师需要设计配电网络，使系绳中携带的高电压能够安全有效地降至无人机系统所需的工作电压。

图 2 显示了一个这样网络的实例。这个网络是使用 Vicor 的 BCM 和 ZVS 降压转换器构建的。

图 2：系留无人机的配电网络。请注意用于地面系统的 48 伏总线是如何在系绳中提升到 800 伏，然后在无人机上又如何降低到 48 伏的。（图片来源：Vicor）

在这个例子中，BCM 将三相 208 伏的交流电转换为 48 伏的直流电，供无人机的地面计算机系统使用。然后 ZVS 降压转换器将 48 伏的电源减少到各个地面设备使用的 12、5 和 3.3 伏。随后 48 伏的直流电源由第二个 BCM 升压到 800 伏，以尽量减少电压下降和系绳中的功率损失。

在无人机上，由第三个 BCM 将电压降低到 48 伏。无人机中的配电网络包括进一步的降压转换器，为相机、传感器和逻辑器件提供适当的电压。

该应用的推荐 BCM 是 Vicor 的 BCM4414VD1E5135C02 和 BCM4414VH0E5035M02，前者用于初始 208 伏交流电到 48 伏直流电的转换， 后者用于 48 伏直流电到 800 伏直流电的转换。

BCM4414VD1E5135C02 在 260 至 400 伏的总线上工作，提供 32.5 至 51.3 伏的低压侧输出。该器件能够提供最高 35 A 的连续低压侧电流，每立方厘米 (W/cm3) 功率密度高达 49 瓦，峰值效率为 97.7%（图 3）。

图 3：Vicor 的总线转换器模块在广泛的低压侧电流范围内表现出良好的效率 (TCASE = 25˚C)。（图片来源：Vicor）

BCM4414VH0E5035M02 在 500 至 800 伏的总线上运行，提供 31.3 至 50.0 伏的低压侧输出，最大连续功率输出为 1.5 千瓦。连续低压侧电流、功率密度和峰值效率与其姐妹产品相同。BCM 采用 110.5 x 35.5 x 9.4 毫米 (mm) 的外壳，重 145克 (g)。

Vicor BCM 还提供了灵活的热管理选择，其顶部和底部的热阻非常低。通过使用这些器件，电源系统设计者能够减少系绳以及地面供电设施和无人机的的尺寸和重量。

Vicor 的 BCM 是 DC-DC 电源，因此在图 2 中的第一个 BCM 之前，必须将最初的三相 208 伏交流输入转换为直流。适用于交流整流的器件是 Vicor 交流输入模块 (AIM) ，如 AIM1714VB6MC7D5C00（图 4）。AIM 设备可以接受 85-264 伏的交流输入，并提供一个整流的交流输出，电流最高 5.3 A，功率最高 450 瓦。

图 4：BCM 需要一个整流的交流输入。像 Vicor 的三相 AIM 模块这样的设备就提供了一个解决方案。（图片来源：Vicor）

具有高功率密度和灵活性的降压调节

一旦地面站或无人机中的 BCM 将电压调节到 48 伏直流，就需要 ZVS 降压转换器来进一步降低电压，以便向各个系统供电。特别是在无人机中，降压转换器必须具有高功率密度和高效率，如此才能形成一个紧凑、轻量的电源。ZVS 降压稳压器很适合这项任务。

传统的稳压器 MOSFET 内的开关损耗是效率低下一个主要因素，对功率密度有负面影响。ZVS 克服了这些损耗，对于以相对较高电压输入操作的降压转换器来说是一个特别的优势。

ZVS（亦称“软开关”）的机制很复杂，但可以把它看成 MOSFET 导通期间的传统脉宽调制 (PWM) 功率转换，但具有“谐振”开关交越。输出电压的调节是通过改变开关稳压器的转换频率来调节有效占空比（如此便调节了“开启”时间）实现的。

在 ZVS 开关关断期间，稳压器的 L-C 电路发生谐振，使该开关上的电压从零跨越至峰值，然后在该开关被再次激活时回零。在这个过程中，无论工作频率和输入电压如何，开关稳压器的 MOSFET 交越损耗为零，这意味着大大节省了功率，并大幅提高了效率。参见《零电压开关及其电压调节重要性综述》。）

Vicor 生产一系列 ZVS 降压稳压器，与控制电路、功率半导体和支持组件一起集成在高密度 LGA、BGA 和系统级封装 (SiP) 器件中。开关稳压器是对无人机配电电路其他部分所使用 BCM 的补充。ZVS 降压稳压器为高效率的负载点 (PoL) DC-DC 调节提供了良好的功率密度和灵活性。它们可以用来将 48 伏总线有效地降压到 3.3、5 和 12 伏，以用于其他无人机子系统。

ZVS 降压稳压器的例子包括 PI352x-00 系列。PI352x-00 稳压器只需要一个外部电感器、两个电压选择电阻器和最少的电容器就可以构成一个完整的 DC-DC 开关模式降压稳压器。所有稳压器都在 30 至 60 伏输入条件下工作。该系列有三个器件：1. PI3523-00，提供标称 3.3 伏输出（2.2 至 4 伏范围）和最高 22 A 的电流；2. PI3525-00，提供标称 5.0 伏输出（4 至 6.5 伏范围）和最高 20 A 的电流；3. PI3526-00，提供标称 12 伏输出（6.5 至 14 伏范围）和最高 18 A 的电流。这些器件均以 10 x 14 x 2.56 mm 的 LGA SiP 提供。

给功率密度网络添加 ZVS 稳压器

我们需要进行一些设计工作来优化无人机配电网络中的 ZVS 降压稳压器的性能。图 5 显示了 PI352x-00 系列的每个成员所需的外部元件。

图 5：Vicor ZVS 降压稳压器需要一个外部电感器、一个设置输出电压的电阻分压器网络以及用于滤波的电容器。（图片来源：Vicor）

这些器件都需要一个外部电感器。Vicor 计算了储能装置的电感值，以使效率最大化。对于 PI3523 和 PI3525 稳压器，建议使用 230 纳亨 (nH) 电感器，而对于 P13526，建议使用 480 nH 电感器。

虽然 PI352x-00 系列的每个成员都能直接处理来自各自 BCM 的 48 伏直流输入（降压稳压器的输入范围为 30 至 60 伏直流），但设置输出电压需要选择输出电阻器（REA1 和 REA2），这两个电阻器共同构成了一个电阻分压器网络。

无论输出电压如何，REA2 都应设置为 1 千欧 (kΩ) ，以获得最佳的抗噪能力。REA1 的值则可以通过以下公式计算：

   公式 1

除了电感值外，Vicor 还推荐了 CIN 和 COUT 电容器的值，以确保功率级的正确启动和高频去耦。当市电高压侧 MOSFET 导通时，PI352x-00 系列几乎从其低阻抗陶瓷电容器中吸取所有高频电流。然后，在 MOSFET 关闭期间，电容器会从电源充电。表 1 列出了电容值和由此产生的纹波电流和电压。

产品        负载电流 (A)        CIN        COUT       CIN 纹波电流 (IRMS)        COUT 纹波电流 (IRMS)  VIN 纹波 (mVPP)        VOUT 纹波 (mVPP)        载荷步（额定值的 %） (1 A/μs)        不包括纹波的瞬时偏差 (mVpk)        VOUT 恢复时间 (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 输入和输出电容器在标称线电压和标称微调值下的推荐值。（表格来源：Vicor）

为确保 PI352x-00 系列的最佳效率和低电磁干扰 (EMI)，最小的印制线电阻和大电流环路回流，以及合适的元器件放置，都是至关重要的。图 6 显示了稳压器和外部元件的推荐布局。这是 PI3526-00-EVAL1 PI352x-00 评估板采用的布局。

图 6：Vicor ZVS 稳压器、电感器以及输入和输出电容器的最佳布局。（图片来源：Vicor）

图 6 中的蓝色回路表示输入和输出电容器（以及 VIN 和 VOUT）之间的紧密路径，用于稳压器的高 AC 回流，从而帮助提高能效。

结语

为了优化无人机的航程和负载能力，工程师们已经转而采用高电压的系绳。这些措施都最大限度地减少了电缆中的功率耗散和电压降。然而，高系绳电压就需要安全和有效地调节到总线电压，然后进一步降低到无人机各个电子系统所需的供电电压。

Vicor 的高功率密度和高能效 BCM 为降低和提升地面站、系绳和无人机之间的电压提供了一个易于实现的解决方案。这些 BCM 借助于低开关损耗的 ZVS 降压转换器，在将总线电压降至无人机各子系统所需的 3.3、5 和 12 伏电压时，能效更是高达 97%。