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如何為系留無人機設計高效的模塊化供電網絡

來源: digikey
2023-02-20
類別:消費電子
eye 76
文章創建人 拍明芯城

  無人機 (UAV) 或“無人機”越來越多地用于重型應用,例如軍事、消防和農業的地面偵察。這些和許多其他用例要求無人機長時間在空中飛行,因此電池不是一種選擇。相反,無人機在飛行期間通過系留電纜供電。

  然而,系繩帶來了新的挑戰。較厚的系繩提供較低的電阻,但對無人機施加更大的負載,限制了其承載能力。細電纜會增加電阻,導致無人機系繩通常很長的長度上出現不可接受的功耗和電壓降。工程師們希望通過將系線電壓提高到 800 伏來克服與更細電纜相關的損耗。這種增加有助于降低給定功率要求的電流。

  然后,挑戰就變成了處理無人機中的高壓。無人機的配電網絡必須能夠承受高壓,并有效地將其降壓到無人機系統所需的較低電壓。任何電源管理解決方案都必須輕巧緊湊,以盡量減少對車輛承載能力的影響。

  本文討論了系留無人機高壓供電系統的優勢。然后解釋了為什么在為系留無人機應用設計配電網絡時,高效率和高功率密度母線轉換器模塊 (BCM) 和零電壓開關 (ZVS) 降壓 (“降壓”) 電壓轉換器是一個不錯的選擇。BCM 和 ZVS 降壓轉換器示例 Vicor 介紹并用于幫助展示如何設計輕巧而高效的電網。

  更高的電壓使電纜更輕

  系繩使設計人員擺脫了電池對無人機的限制(圖 1)。假設地面電源可用,無人機可以長時間保持空中飛行,允許它們在觀察平臺或超視距無線電中繼等應用中運行。缺點是無人機必須將潛在的重型電纜吊到高處,這可能會限制其操作范圍和對相機或無線電設備等有效載荷的承載能力。

  

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  圖 1:無人機可以使用系繩供電長時間停留在空中。(圖片來源:維科)

  商用無人機的各種系統需要多個直流電壓。例如,48 伏是電機的常見電壓,而 12、5 和 3.3 伏是傳感器、執行器和控制電子設備的典型電壓。輕薄的系繩有助于限制無人機上的重量負載,但電纜的較高電阻(電阻隨著電纜橫截面的減小而增加)會導致不可接受的高壓降(定義為電壓降大于電纜遠端源電壓的 3% 至 5%)和使用 48 伏電源時長電纜的功耗。

  電纜的壓降和功耗與其承載的電流成正比,而不是與電壓成正比。因此,例如,需要通過 1.5 伏電源供電的 48 千瓦 (kW) 恒定功率的商用無人機將需要 1500/48 = 31.25 安培 (A) 的電流。通過增加電壓可以提供相同的功率,從而降低電流要求,從而降低電壓降和功耗。例如,使用 800 伏電源只需要 1500/800 = 1.9 A 的電流。這樣的電源使設計人員能夠安全地使用輕質電纜。

  無人機的供電網絡

  為了利用更高電壓的電源和更輕的系線,工程師需要設計配電網絡,以便能夠安全有效地將系線中攜帶的高壓降壓到無人機系統所需的工作電壓。

  圖 2 顯示了此類網絡的示例。該網絡是使用 Vicor 的 BCM 和 ZVS 降壓轉換器構建的。

  

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

  在此示例中,BCM 將無人機地面計算機系統的三相 208 伏交流電源轉換為 48 伏直流電。ZVS 降壓轉換器將 48 伏電源降低到各個接地設備使用的 12、5 和 3.3 伏。然后將 48 伏直流電源升壓第二個 BCM 至 800 伏,以最大限度地減少系線中的壓降和功率損耗。

  在無人機上,第三個BCM然后將電壓降低回48伏。無人機中的配電網絡包括更多的降壓轉換器,為相機、傳感器和邏輯器件提供適當的電壓。

  此應用的建議 BCM 是 Vicor 的 BCM4414VD1E5135C02 用于初始 208 伏交流電到 48 伏直流電轉換,以及 BCM4414VH0E5035M02 用于 48 伏直流電到 800 伏直流電和反向轉換。

  BCM4414VD1E5135C02 采用 260 至 400 V 總線工作,提供 32.5 至 51.3 V 的低側輸出。該器件提供高達 35 A 的連續低邊電流,每立方厘米 (W/cm ) 高達 49 瓦3)功率密度和97.7%的峰值效率(圖3)。

  

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  圖 3:Vicor 的總線轉換器模塊在寬低側電流范圍內表現出良好的效率(T箱 = 25°C)。(圖片來源:維科)

  BCM4414VH0E5035M02 采用 500 至 800 伏總線工作,低側輸出為 31.3 至 50.0 伏,最大連續功率輸出為 1.5 kW。連續低側電流、功率密度和峰值效率與其姊妹產品相同。BCM 采用 110.5 x 35.5 x 9.4 毫米 (mm) 外殼,重 145 克 (g)。

  Vicor BCM 還提供靈活的熱管理選項,具有極低的頂部和底部熱阻抗。通過使用這些設備,電源系統設計人員能夠減小系繩以及地面電源和無人機的尺寸和重量。

  Vicor BCM 是直流到直流電源,因此初始三相 208 伏交流輸入必須在圖 2 中的第一個 BCM 之前轉換為直流。適合交流整流的設備是 Vicor 交流輸入模塊 (AIM),例如 AIM1714VB6MC7D5C00 (圖 4。AIM器件可以接受85至264伏的交流輸入,并提供整流交流輸出,電流高達5.3 A,功率高達450瓦。

  

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  圖 4:BCM 需要整流交流輸入。Vicor的三相AIM模塊等設備提供了一種解決方案。(圖片來源:維科)

  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 伏直流電,ZVS 降壓轉換器就需要進一步降低各種系統供電線路的電壓。特別是在無人機中,降壓轉換器必須具有高功率密度和效率,以便它們形成緊湊輕便的電源。ZVS 降壓穩壓器非常適合這項任務。

  傳統穩壓器 MOSFET 中的開關損耗是效率低下的關鍵因素,并對功率密度產生負面影響。ZVS 解決了這些損耗問題,對于使用相對高電壓輸入工作的降壓轉換器來說,這是一個特別的優勢。

  ZVS(也稱為“軟開關”)的機制很復雜,但最好定義為MOSFET導通時間內的傳統脈寬調制(PWM)功率轉換,但具有“諧振”開關轉換。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(從而調整“導通”時間)來實現的。

  在 ZVS 開關關斷期間,穩壓器的 L-C 電路諧振,使開關兩端的電壓從零遍歷到峰值,然后在開關可以重新激活時再次下降到零。在此過程中,無論工作頻率和輸入電壓如何,開關穩壓器的MOSFET的轉換損耗均為零,從而顯著節省功耗,并大幅提高效率。(請參閱”零電壓開關及其對電壓調節的重要性綜述".)

  Vicor 生產一系列 ZVS 降壓穩壓器,集成了高密度 LGA、BGA 和系統級封裝 (SiP) 器件中的控制電路、功率半導體和支持組件。開關穩壓器補充了無人機配電電路其他部分使用的 BCM。ZVS 降壓穩壓器具有良好的功率密度和靈活性,可實現高效負載點 (PoL) DC-DC 穩壓。它們可用于將其他無人機子系統的 48 伏總線有效地降壓到 3.3、5 和 12 伏。

  ZVS 降壓穩壓器的示例包括 PI352x-00 家庭。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數量的電容器即可構成一個完整的 DC-DC 開關模式降壓穩壓器。所有穩壓器均采用 30 至 60 V 輸入工作。該系列中有三種設備: 編號: PI3523-00,提供標稱 3.3 伏輸出(2.2 至 4 伏范圍)和高達 22 A 的電流;這 PI3525-00,提供標稱 5.0 伏輸出(4 至 6.5 伏范圍)和高達 20 A 的電流;和 編號: PI3526-00,提供標稱 12 伏輸出(6.5 至 14 伏范圍)和高達 18 A 的電流。這些器件采用 LGA SiP 封裝,尺寸為 10 x 14 x 2.56 mm。

  將 ZVS 穩壓器添加到功率密度網絡中

  需要一些設計工作來優化無人機配電網絡中ZVS降壓穩壓器的性能。圖 5 顯示了 PI352x-00 系列每個成員所需的外部組件。

  

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  圖 5:Vicor ZVS 降壓穩壓器需要一個外部電感器、一個用于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:維科)

  每個器件都需要一個外部電感器。Vicor 計算了儲能器件的電感值,以最大限度地提高效率。對于 PI3523 和 PI3525 穩壓器,建議使用 230 納亨利 (nH) 電感,而建議使用 480 nH 電感器與 P13526 配合使用。

  雖然 PI352x-00 系列的每個成員都可以直接處理來自相應 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(REA1 和 REA2),它們共同構成電阻分壓器網絡。

  無論輸出電壓如何,REA2都應設置為1 kΩ,以獲得最佳抗噪性。REA1 的值可以通過以下公式計算:

  

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  除電感器值外,Vicor 還推薦了 C 的值在 和 C外 電容器,以確保功率級的正確啟動和高頻去耦。當主高側 MOSFET 導通時,PI352x-00 系列從其低阻抗陶瓷電容器吸收幾乎所有高頻電流。然后,在MOSFET關斷期間,從源極補充電容。表1列出了電容值以及產生的紋波電流和電壓。

產品負載電流 (A)CCC 紋波電流(I有效值)C 紋波電流(I有效值)V 紋波(毫伏聚丙烯)V 紋波(毫伏聚丙烯)負載階躍(額定值百分比)(1 A/μs)瞬態偏差(不包括紋波)(mVpk)V 恢復時間(微秒)
編號: PI35232210 x 2.2 μF8 x 100 μF7.316.19007550 到 100110<80
編號:PI35252010 x 2.2 μF12 x 47 微法8.0149607550 到 100160<80
編號: PI35261810 x 2.2 μF8 x 10 μF10.11170021050 到 100260<80

  表 1:Vicor P1352x 輸入和輸出電容器在標稱線路電壓和標稱調整下的建議值。(表源:維科)

  為確保 PI352x-00 系列的最佳效率和低電磁干擾 (EMI),最小的走線電阻和高電流環路回路以及適當的元件放置至關重要。圖6顯示了穩壓器和外部元件的推薦布局。這是采用的布局 PI3526-00-EVAL1 PI352x-00 評估板。

  

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  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:維科)

  圖6中的藍色環路表示輸入和輸出電容(和V)之間的緊密路徑在 和 V外),用于穩壓器的高交流返回電流,這有助于提高效率。

  結論

  為了優化無人機的航程和負載能力,工程師們已經轉向高壓系繩。這些器件可最大限度地減少電纜中的功耗和壓降。然而,高系線電壓需要安全有效地調節到總線電壓,然后進一步降低到無人機電子系統所需的電源電壓。

  Vicor 的高功率密度和高效 BCM 為降低和提升地面站、系繩和無人機之間的電壓提供了易于實施的解決方案。BCM 由低開關損耗 ZVS 降壓轉換器補充,當總線電壓降至無人機各種子系統所需的 3.3、5 和 12 伏時,可提供 97% 的效率。


責任編輯:David

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