采用DC-DC模块的无人机（UAV）电源解决方案 解决方案, 无人机, 微软, 电源

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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。


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等效电路热模型）

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

• 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。
• 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。
• 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）



结论：
利用Vicor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。

同时，Vicor将提供创新、高性能和良好品质的电源元件/解决方案，为客户提供竞争优势。