采用DC-DC模块的无人机(UAV)电源解决方案

摘要：

在设计针对无人机（UAV）的电源系统时，设计人员所关心的参数是尺寸（S）、重量（W）、功率密度（P）、功率重量比、效率、热管理、灵活性和复杂性。

体积小、重量轻、功率密度高（SWaP）可以让无人机携带更多的有效载荷，飞行和续航时间更长，并完成更多的任务。

更高的效率可以尽可能利用能源效率，最大限度地提高续航时间和飞行时间，也使热管理尽可能容易，因为即使是更少的功率损耗都会传递热量。

高度灵活性和低复杂性可以使电源系统设计更加容易，并让无人机设计人员专注于无人机设计的其他部分，而不是花太多时间在电源系统设计；它缩短了设计时间，并使设计变得不那么复杂。

为了利用以上提到的优势，Vicor模块电源解决方案可以用最全面产品组合的高效率、高密度、配电架构，为性能关键的无人机应用提供完整的电源解决方案。

无人机的种类：

无人机可以从远程位置进行控制，或基于预先配置来自动运行。无人机有许多应用，从取保候审（recognizance）到消防，都可以由不同类别的无人机实现。

无人机的电源：

根据子系统的负载要求，无人机有几种可供选择的电源。

锂离子电池是一种常用的电源，由于体积小和成本较低，是100瓦和运行数天的无人机的理想选择。

为了有更高的能量密度和功率密度，还可以选择其他替代电源，包括太阳能电池系统、燃气轮机、柴油发电机等。

无人机的典型电源链：

图1（UAV电源链）

在典型无人机电源链中，有一个基于涡轮的发电机提供3相ac电源，通过整流器转换为270V dc，然后通过隔离式DC-DC转换器转换为48V dc或28V dc。

系统和数据链路，其中每一个都需要一个3.3V、5V和12V等的电压范围。因此，下游DC-DC转换器或niPoL（非隔离式负载点）需要为负载提供28V或48V dc母线所需的电压。

为了实现高效率，高电压DC母线（270V、48V或28V）沿着无人机的电源链进行优先配电。由配电引起的功率损耗基于I2R（R为线电阻），由于较高的电压可以最大限度地降低损耗，从而降低了电流；尤其是大型无人机，还有很长的配电长度。

在安全方面，在高电压DC母线（270V）和低电压DC母线之间需要进行隔离，当低于60V的电压与高电压隔离开时，就符合了SELV（安全特低电压）要求。

基于图1所示的电源链，有两级DC-DC转换，由于稳压在下一级完成，其中第一级需要隔离和非稳压的DC-DC转换器，而由于隔离在上游完成，第二级需要稳压和非隔离的DC-DC转换器。为了获得更高效率和更低成本的解决方案，隔离和稳压没有在DC-DC转换器的每个级重复。

270V至28V DC-DC转换：

图2

除了整流器，还有非隔离和非稳压的270V dc，通过MIL-COTS BCM（母线转换器模块）和MIL-COTS PRM（前置稳压器模块）转换到负载用的一个经隔离和稳压的电压，如28V。

GaAs发射器：

270V至28V电源链的应用之一是GaAs发射器，如图3所示。

图3（GaAs发射器电源链）

有效载荷、GaAs发射器都需要超过200瓦的功率。为了满足电力需求，需要将BCM模块和PRM模块并联至电源阵列，以提高输出功率。下面一段谈谈如何并联具有均流能力的BCM和PRM。

BCM和PRM模块可以配置超过1千瓦的电源阵列。

表1简要说明了BCM和PRM的规格，以便可以帮助了解它们在270V至28V转换的电源链中扮演了什么角色。

表1

BCM模块是一个隔离和非稳压的DC-DC转换器模块，可通过一个固定比、K系数为SELV输出提供高输入电压。对于这个特定器件（MBCM270x450M270A00），K系数为1/6，因此输出电压始终为输入电压的1/6，270V输入有45V输出。

PRM模块是一个为负载提供稳压的稳压和非隔离的DC-DC转换器模块。由于PRM输出电压可以调整，针对GaAs发射器它可以调低至28V。

图4（GaAs发射器解决方案的效率）

BCM是一个隔离和非稳压的DC-DC转换器。

PRM是一个稳压和非隔离的DC-DC转换器。

在上一段已经提到，隔离和稳压并没有由DC-DC转换的每个级，或电源链中的具体DC-DC转换器进行重复，为的是获得更高的效率。

因此，通过使用BCM和PRM模块，270V至28V DC-DC转换的整体效率达到了93.12%。

并联BCM和PRM的技术：

图5a（并联BCM）

图5b（并联BCM）

在并联BCM模块的同时，通过阻抗匹配而不是并联信号实现均流，很容易连接每个BCM模块的输入和输出，如图5a和5b所示。并联BCM应考虑以下几点。

1）  通过对称布局完成输入和输出互连阻抗匹配，如图5b所示。

2） 均匀冷却使具体BCM模块温度彼此接近。

3） 每个BCM模块的启用/禁用信号（PC引脚）都需要在同一时间连接来启动每个模块。

为了并联PRM模块（图6），需要使用并联信号（PR引脚）来实现各个模块的均流，同时，具体模块的启用/禁用信号（PC引脚）需要连接来同时启动所有模块。如图6所示，一个PRM模块可设置为一个电源阵列中的“主”，以驱动其他负责反馈和稳压的“从”PRM模块。

正弦振幅转换器（Sine Amplitude ConverterTM ，SACTM）拓扑结构：

母线转换器模块（BCM）采用SAC拓扑结构，从而实现了卓越的效率和功率密度。

图7（SACTM转换器）

SAC拓扑结构是BCM模块核心中的一个动态、高性能引擎。

SAC是基于变压器的串联谐振拓扑结构，它在等于初级侧储能威廉希尔官方网站 谐振谐振频率的固定频率下工作。初级侧的开关FET被锁定在初级的自然谐振频率，在零交叉点来开关，从而消除了开关中的功耗，提高了效率并大大减少了高阶噪声谐波的产生。初级的谐振回路是纯正弦波（图7所示），从而可降低谐波含量，提供了更干净的输出噪声频谱。由于SAC的高工作频率，可使用较小的变压器来提高功率密度和效率。

ZVS升压-降压拓扑结构：

PRM（前置稳压器模块）采用一个专利升压-降压稳压器控制架构，以提供高效率升压/降压稳压。

图8（ZVS升压-降压）

PRM在固定开关频率下工作，通常在1 MHz（最大1.5 MHz），它还具有提高输出功率的并联能力。ZVS升压-降压开关顺序是相同的，无论它是降压还是升压。

ZVS升压-降压拓扑结构有四个级。

--Q1和Q4导通为变压器储存能量，然后是ZVS过渡的Q3导通

--Q1和Q3导通为从输入到输出提供路径，然后是ZVS过渡的Q2导通

--Q2和Q3对续流级导通，然后是ZVS过渡的Q4导通

--在箝位阶段Q2和Q4导通，然后是ZVS过渡的Q1导通

完成4级之后，就是一个循环。

28V/270V输入源到多路输出DC-DC转换：

图9（270V / 28V到多路输出）

由于有效载荷，如航空、数据链路、雷达、飞行控制系统都需要一个15V、12V、5V、3.3V的电压范围，需要下游DC-DC转换器或niPoL提供所需电压作为有效载荷的多路输出。

除了整流器，还有非稳压和非隔离的270Vdc，这个MIL-COTS DCM DC-DC转换器和Picor ZVS降压稳压器可提供经隔离和稳压的多路输出。

在第一级，MDCM DC-DC将一个非稳压输入（28V或270V）转换为一个经隔离和稳压的28V，然后通过下游非隔离式ZVS稳压器转换为多路输出。

在后一级，Coop Power ZVS降压稳压器将28V转换为负载所需的电压。

表2简要说明了DCM和Picor ZVS降压稳压器的规格，所以，它可以帮助了解它们在270V / 28V的电源链工作时对多路输出转换的作用。

表2

图10（多路输出解决方案的效率）

DCM是一个隔离和稳压的DC-DC转换器。

ZVS降压稳压器是一个稳压和非隔离的DC-DC转换器。

在上一段已经提到，为了有更高的效率，不会重复隔离和稳压。

虽然稳压是由DCM和ZVS降压稳压器重复进行的，由于ZVS降压稳压器的高效率，从高电压到所需电压的整体效率可以达到高于90%。

ChiP——转换器级封装：

图11（ChiP等效威廉希尔官方网站 热模型）

DCM DC-DC转换器通过突破性封装技术——转换器级封装（ChiP）技术进行封装。

为了实现更高的功率效率、密度和设计灵活性，需要功率元件封装技术的持续改进，因此，ChiP的推出优化了电气和热性能。

ChiP产品的设计在PCB两面都有功率元件，可减少由于寄生的损耗，通过整个封装均匀彻底地散热，并利用了顶部和底部表面散热。

ChiP产品封装在热增强型模压化合物中，降低了温差，为便于使用热管理配件，提供了平整的模块顶部和底部表面，如散热器、冷板、热管等。

ZVS降压拓扑结构：

如图11所示，除了一个连接在输出电感器两端的附加箝位开关，ZVS降压拓扑结构与传统降压转换器相同。增加的箝位开关允许将能量存储在输出电感器中，用来实现零电压开关。

图12（ZVS降压拓扑结构）

图12显示了ZVS降压拓扑结构的时序图，它主要由三个状态组成，如下所示。

--Q1导通阶段

o 假设Q1在谐振过渡后的近零电压开启。当D-S电压几乎为零时，Q1在零电流开启。MOSFET和输出电感器中的电流斜升，准时达到由Q1决定的峰值电流。在Q1导通阶段，能量存储在输出中，并为输出电容器充电。在Q1导通阶段，Q1中的功耗是由MOSFET导通电阻决定的；开关损耗可以忽略不计。

--Q2导通阶段

o Q1迅速关闭，接着是一个很短时间的体二极管导通，这增加了可以忽略不计的功耗。接下来，Q2开启，存储在输出电感器中的能量被传送到负载和输出电容器。当电感器电流达到零时，同步MOSFET保持足够长的时间，在输出电感器中存储一些来自输出电容器的能量。电感器电流为负值。

--箝位阶段

o 一旦控制器已确定有足够的能量存储在电感器中，同步MOSFET关闭，箝位开关开启，箝位Vs节点至输出电压。箝位开关隔离输出电感器电流与输出，同时以几乎无损的方式用电流来循环存储的能量。在箝位阶段，由输出电容器提供的输出在该阶段持续很短时间。

o 当箝位阶段结束时，箝位开关被打开。输出电感器中储存的能量与Q1和Q2输出电容产生谐振，导致Vs节点对输入电压振铃。

o 这个振铃对Q1的输出电容放电，减少了Q1的米勒电荷，并为Q2的输出电容充电。当Vs节点几乎等于输入电压时，这允许以无损方式方式开启Q1。

图13（ZVS降压时序图）

无人机的军用标准

在一些无人机应用中，需要满足MIL-STD-461 MIL-STD-704/1275等军用标准，分别代表EMI和瞬态。

Vicor还提供滤波模块，以及兼容Vicor DC-DC转换器来满足标准要求。

表3显示了Vicor滤波模块选项，它可以符合特定军用标准，同时兼容一起使用的Vicor DC-DC模块。

无人机数据链的电源解决方案：

图13（无人机数据链解决方案）

对于无人机数据链解决方案，Picor滤波模块（MPQI-18）和DC-DC模块（Cool-Power PI31xx）可用来提供针对12V和15V的50W（总共100W），以符合MIL-STD-461E EMI要求。

MQPI-18是一个采用LGA封装（25×25×4.5mm，2.4G）的滤波模块，用来满足MIL-STD-461E的EMI要求。

MIL级Cool-Power DC-DC转换器采用PSiP（22×16.5×6.7mm，7.8g）封装，用来为所需电压提供宽范围输入（16-50V）。

采用Picor滤波模块和DC-DC转换器模块的解决方案可以兼容MIL-STD461E，而不是大尺寸的被动元件，可实现无人机数据链及其他设备的高密度电源解决方案。

结论：

利用模块化电源解决方案，可以使无人机电源系统设计具有体积小、重量轻和高密度的特点，携带更多有效载荷和执行更多任务。