無人機電源系統(tǒng)設(shè)計方案探討

SAC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一個處于BCM模組核心位置的動態(tài)、高效能引擎。

SAC是基于變壓器的串聯(lián)諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在等于初級側(cè)儲能電路諧振頻率的固定頻率下工作。初級側(cè)的開關(guān)FET鎖定為初級的自然諧振頻率，在零交叉點開關(guān)，從而可消除開關(guān)中的功耗，提高效率，顯著減少高階雜訊諧波的產(chǎn)生。初級諧振回路是純正弦曲線(圖7所示)，從而可減少諧波內(nèi)容，提供更干凈的輸出雜訊頻譜。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降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：

PRM(前置穩(wěn)壓器模組)采用一個專利降壓-升壓穩(wěn)壓器控制架構(gòu)來提供高效率升壓/降壓之穩(wěn)壓。

圖8 ： ZVS降壓-升壓

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

ZVS降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有四級。

- Q1和Q4導(dǎo)通可在變壓器內(nèi)儲存能量，然后藉由Q3進(jìn)行ZVS轉(zhuǎn)變

- Q1和Q3導(dǎo)通可提供從輸入到輸出的路徑，然后藉由Q2進(jìn)行ZVS轉(zhuǎn)變

- Q2和Q3導(dǎo)通可進(jìn)入自由輪轉(zhuǎn)級，然后藉由Q4進(jìn)行ZVS轉(zhuǎn)變

- 在鉗制階段Q2和Q4導(dǎo)通，可藉由Q1進(jìn)行ZVS轉(zhuǎn)變

- 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(zhuǎn)換：

航空、資料鏈、雷達(dá)以及飛控系統(tǒng)等有效負(fù)載都需要包括15V、12V、5V、3.3V在內(nèi)的廣泛電壓，因此需要下游DC-DC轉(zhuǎn)換器或niPoL提供所需的電壓作為有效負(fù)載的多路輸出。

除了整流器，還有非穩(wěn)壓、非隔離270VDC電源，其可藉由MIL-COTS DCM DC-DC轉(zhuǎn)換器和Picor ZVS降壓穩(wěn)壓器提供給隔離、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(zhuǎn)換為一個隔離、穩(wěn)壓的28V電壓，然后藉由下游非隔離式ZVS穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換為多路輸出。

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

DCM是一款隔離、穩(wěn)壓的DC-DC轉(zhuǎn)換器。

ZVS降壓穩(wěn)壓器是一款穩(wěn)壓、非隔離的DC-DC轉(zhuǎn)換器。

在上一段已經(jīng)提到，為了有更高的效率，隔離和穩(wěn)壓不會重復(fù)。

雖然穩(wěn)壓是由DCM和ZVS降壓穩(wěn)壓器重復(fù)進(jìn)行的，但由于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(dá)到90%以上。

ChiP—轉(zhuǎn)換器級封裝：

DCM DC-DC轉(zhuǎn)換器藉由突破性封裝技術(shù)—轉(zhuǎn)換器級封裝(ChiP)技術(shù)進(jìn)行封裝。

為了實現(xiàn)更高的功率效率、功率密度和設(shè)計靈活性，功率組件封裝技術(shù)必須持續(xù)改良，因此，ChiP的推出可優(yōu)化電氣和熱效能。

ChiP產(chǎn)品的設(shè)計在PCB兩面都有功率組件，可減少寄生導(dǎo)致的損耗，從而不僅可對整個封裝均勻徹底地散熱，而且還可利用頂部和底部表面進(jìn)行散熱。

ChiP產(chǎn)品封裝在熱增強型模壓化合物中，不僅可降低溫差，而且還可為便捷使用熱管理配件(散熱器、冷板和熱管等)提供平整的模組頂部和底部表面。

ZVS降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：

除了一個連接在輸出電感器兩端的新增鉗制開關(guān)外，ZVS降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與常規(guī)降壓轉(zhuǎn)換器完全相同。新增的鉗制開關(guān)允許將存儲在輸出電感器中的能量用于實現(xiàn)零電壓開關(guān)。

ZVS降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的時序，它主要由以下三個狀態(tài)組成。

- Q1導(dǎo)通階段

o 假設(shè)Q1在共振躍遷后在近零電壓下接通。當(dāng)DS電壓幾乎為零時，Q1在零電流下接通。MOSFET和輸出電感器中的電流逐漸升高，準(zhǔn)時達(dá)到由Q1決定的峰值電流。在Q1導(dǎo)通階段，能量儲存在輸出中，可為輸出電容器充電。在Q1導(dǎo)通階段，Q1中的功耗是由MOSFET導(dǎo)通電阻決定的;開關(guān)損耗可以忽略不計。

- Q2導(dǎo)通階段

o Q1迅速關(guān)斷，接著是一個很短時間的本體二極體導(dǎo)通，這增加了可以忽略不計的功耗。接下來，Q2接通，儲存在輸出電感器中的能量提供給負(fù)載和輸出電容器。當(dāng)電感器電流達(dá)到零時，同步MOSFET保持很長時間，其時長足以在輸出電感器中儲存一些來自輸出電容器的能量。電感器電流稍微變?yōu)樨?fù)值。

-鉗制階段

o 一旦控制器確定有足夠的能量儲存在電感器中，同步MOSFET就會關(guān)斷，而且鉗制開關(guān)就會接通，將Vs節(jié)點鉗制至輸出電壓。鉗制開關(guān)可將輸出電感器電流與輸出隔離開來，同時還能夠以幾乎無損耗的方式按照電流形式循環(huán)儲存的能量。在鉗制階段，由輸出電容器提供的輸出在該階段持續(xù)很短時間。

o 當(dāng)鉗制階段結(jié)束時，鉗制開關(guān)就會打開。輸出電感器中儲存的能量會與Q1和Q2輸出電容產(chǎn)生諧振，導(dǎo)致Vs節(jié)點向輸入電壓發(fā)出響鈴。

o 該響鈴可對Q1的輸出電容進(jìn)行放電，減少Q(mào)1的米勒電荷，并可為Q2的輸出電容充電。當(dāng)Vs節(jié)點幾乎等于輸入電壓并采用無損方式時，就允許Q1接通。

圖9 ： ZVS降壓時序圖

無人機的軍用標(biāo)準(zhǔn)

在一些無人機應(yīng)用中，需要滿足MIL-STD-461 MIL-STD-704/1275等軍用標(biāo)準(zhǔn)，其分別代表EMI和瞬態(tài)。

此外，Vicor還提供濾波器模組和兼容型Vicor DC-DC轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)各種合規(guī)性。

Vicor濾波器模組不僅可充分滿足特定軍用標(biāo)準(zhǔn)要求，同時還能與兼容型Vicor DC-DC模組搭配使用。

無人機資料鏈的電源解決方案：

圖10 ： 無人機資料鏈解決方案

對于無人機資料鏈解決方案，Picor濾波器模組(MPQI-18)和DC-DC模組(Cool-Power PI31xx)可用來為12V和15V電壓提供50W(總共100W)功率，符合MIL-STD- 461E EMI標(biāo)準(zhǔn)。

MQPI-18是一款采用LGA封裝(25×25×4.5毫米，2.4G)的濾波器模組，用來滿足MIL-STD-461E的EMI要求。

軍用級Cool-Power DC-DC轉(zhuǎn)換器采用PSiP(22×16.5×6.7mm，7.8g)封裝，用來為所需的電壓提供寬泛的輸入(16-50V)。

采用Picor濾波器模組和DC-DC轉(zhuǎn)換器模組的解決方案符合MIL-STD461E標(biāo)準(zhǔn)，不是大尺寸的被動組件，可為無人機資料鏈及其它設(shè)備提供高密度電源解決方案。

結(jié)論

采用Vicor模組化電源解決方案，可以使無人機電源系統(tǒng)的設(shè)計具有體積小、重量輕和高密度的特點，從而可攜帶更多有效負(fù)載，執(zhí)行更多任務(wù)。

此外，Vicor還將提供創(chuàng)新、高效能和良好品質(zhì)的電源組件/解決方案，為客戶提供極大的競爭優(yōu)勢。