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                  无人机(UAV)的电源系统及电源方案
                  来源:中华ic网 rafatrigo.com | 作者:中华ic网整理 | 发表于:2015-12-11
                  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。

                  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。

                  快乐赛车网-快乐赛车网址多少 TONGSHI,VicorJIANGTIGONGCHUANGXIN、GAOXINGNENGHELIANGHAOPINZHIDEDIANYUANYUANJIAN/JIEJUEFANGAN,WEIKEHUTIGONGJINGZHENGYOUSHI。

                  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。 

                  TIJIXIAO、ZHONGLIANGQING、GONGLVMIDUGAO(SWaP)KEYIRANGWURENJIXIEDAIGENGDUODEYOUXIAOZAIHE,FEIXINGHEXUHANGSHIJIANGENGZHANG,BINGWANCHENGGENGDUODERENWU。

                  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。

                   

                  快乐赛车网-快乐赛车网址多少 GAODULINGHUOXINGHEDIFUZAXINGKEYISHIDIANYUANXITONGSHEJIGENGJIARONGYI,BINGRANGWURENJISHEJIRENYUANZHUANZHUYUWURENJISHEJIDEQITABUFEN,ERBUSHIHUATAIDUOSHIJIANZAIDIANYUANXITONGSHEJI;TASUODUANLESHEJISHIJIAN,BINGSHISHEJIBIANDEBUNEIMEFUZA。

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                  快乐赛车网-快乐赛车网址多少 WEILELIYONGYISHANGTIDAODEYOUSHI,VicorMOKUAIDIANYUANJIEJUEFANGANKEYIYONGZUIQUANMIANCHANPINZUHEDEGAOXIAOLV、GAOMIDU、PEIDIANJIAGOU,WEIXINGNENGGUANJIANDEWURENJIYINGYONGTIGONGWANZHENGDEDIANYUANJIEJUEFANGAN。

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                  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。


                  无人机和种类

                  近距离无人机 短程无人机 耐力型无人机
                  范围 50公里 200公里 >200公里
                  耐力 30分钟至2小时 8至10小时 >24小时
                  重量 2-10磅 <10,000磅 <229,000磅
                  速度
                  <300mph <454mph
                  海拔高度 <1000英尺 <50,000英尺 <65,000英尺
                  有效载荷
                  <3,800磅 <1,900磅


                  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。
                  快乐赛车网-快乐赛车网址多少 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。


                  快乐赛车网-快乐赛车网址多少 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:

                  无人机的典型电源链


                  TU1(UAVDIANYUANLIAN)

                   

                  快乐赛车网-快乐赛车网址多少 ZAIDIANXINGWURENJIDIANYUANLIANZHONG,YOUYIGEJIYUWOLUNDEFADIANJITIGONG3XIANGacDIANYUAN,TONGGUOZHENGLIUQIZHUANHUANWEI270V dc,RANHOUTONGGUOGELISHIDC-DCZHUANHUANQIZHUANHUANWEI48V dcHUO28V dc。

                   

                  XITONGHESHUJULIANLU,QIZHONGMEIYIGEDOUXUYAOYIGE3.3V、5VHE12VDENGDEDIANYAFANWEI。YINCI,XIAYOUDC-DCZHUANHUANQIHUOniPoL(FEIGELISHIFUZAIDIAN)XUYAOWEIFUZAITIGONG28VHUO48V dcMUXIANSUOXUDEDIANYA。

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                  WEILESHIXIANGAOXIAOLV,GAODIANYADCMUXIAN(270V、48VHUO28V)YANZHEWURENJIDEDIANYUANLIANJINXINGYOUXIANPEIDIAN。YOUPEIDIANYINQIDEGONGLVSUNHAOJIYUI2R(RWEIXIANDIANZU),YOUYUJIAOGAODEDIANYAKEYIZUIDAXIANDUDIJIANGDISUNHAO,CONGERJIANGDILEDIANLIU;YOUQISHIDAXINGWURENJI,HAIYOUHENZHANGDEPEIDIANZHANGDU。

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                  快乐赛车网-快乐赛车网址多少 ZAIANQUANFANGMIAN,ZAIGAODIANYADCMUXIAN(270V)HEDIDIANYADCMUXIANZHIJIANXUYAOJINXINGGELI,DANGDIYU60VDEDIANYAYUGAODIANYAGELIKAISHI,JIUFUHELESELV(ANQUANTEDIDIANYA)YAOQIU。

                   

                  JIYUTU1SUOSHIDEDIANYUANLIAN,YOULIANGJIDC-DCZHUANHUAN,YOUYUWENYAZAIXIAYIJIWANCHENG,QIZHONGDIYIJIXUYAOGELIHEFEIWENYADEDC-DCZHUANHUANQI,ERYOUYUGELIZAISHANGYOUWANCHENG,DIERJIXUYAOWENYAHEFEIGELIDEDC-DCZHUANHUANQI。WEILEHUODEGENGGAOXIAOLVHEGENGDICHENGBENDEJIEJUEFANGAN,GELIHEWENYAMEIYOUZAIDC-DCZHUANHUANQIDEMEIGEJIZHONGFU。

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                  270V至28V DC-DC转换:

                  270V至28V DC-DC转换

                  图2


                  快乐赛车网-快乐赛车网址多少 CHULEZHENGLIUQI,HAIYOUFEIGELIHEFEIWENYADE270V dc,TONGGUOMIL-COTS BCM(MUXIANZHUANHUANQIMOKUAI)HEMIL-COTS PRM(QIANZHIWENYAQIMOKUAI)ZHUANHUANDAOFUZAIYONGDEYIGEJINGGELIHEWENYADEDIANYA,RU28V。

                   

                  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。

                  GaAs发射器电源链

                  快乐赛车网-快乐赛车网址多少 TU3(GaAsFASHEQIDIANYUANLIAN)


                  YOUXIAOZAIHE、GaAsFASHEQIDOUXUYAOCHAOGUO200WADEGONGLV。WEILEMANZUDIANLIXUQIU,XUYAOJIANGBCMMOKUAIHEPRMMOKUAIBINGLIANZHIDIANYUANZHENLIE,YITIGAOSHUCHUGONGLV。XIAMIANYIDUANTANTANRUHEBINGLIANJUYOUJUNLIUNENGLIDEBCMHEPRM。


                  BCM和PRM模块可以配置超过1千瓦的电源阵列。

                  BIAO1JIANYAOSHUOMINGLEBCMHEPRMDEGUIGE,YIBIANKEYIBANGZHULEJIETAMENZAI270VZHI28VZHUANHUANDEDIANYUANLIANZHONGBANYANLESHENMEJIAOSE。

                  BCM和PRM的规格


                  BCMMOKUAISHIYIGEGELIHEFEIWENYADEDC-DCZHUANHUANQIMOKUAI,KETONGGUOYIGEGUDINGBI、KXISHUWEISELVSHUCHUTIGONGGAOSHURUDIANYA。DUIYUZHEIGETEDINGQIJIAN(MBCM270x450M270A00),KXISHUWEI1/6,YINCISHUCHUDIANYASHIZHONGWEISHURUDIANYADE1/6,270VSHURUYOU45VSHUCHU。

                   

                  快乐赛车网-快乐赛车网址多少 PRMMOKUAISHIYIGEWEIFUZAITIGONGWENYADEWENYAHEFEIGELIDEDC-DCZHUANHUANQIMOKUAI。YOUYUPRMSHUCHUDIANYAKEYIDIAOZHENG,ZHENDUIGaAsFASHEQITAKEYIDIAODIZHI28V。

                  GaAs发射器解决方案的效率

                  快乐赛车网-快乐赛车网址多少 TU4(GaAsFASHEQIJIEJUEFANGANDEXIAOLV)

                  BCM是一个隔离和非稳压的DC-DC转换器。
                  快乐赛车网-快乐赛车网址多少 PRM是一个稳压和非隔离的DC-DC转换器。


                  快乐赛车网-快乐赛车网址多少 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:


                  并联BCM

                  TU5a(BINGLIANBCM)

                  并联BCM

                  快乐赛车网-快乐赛车网址多少 TU5b(BINGLIANBCM)

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                  快乐赛车网-快乐赛车网址多少 ZAIBINGLIANBCMMOKUAIDETONGSHI,TONGGUOZUKANGPIPEIERBUSHIBINGLIANXINHAOSHIXIANJUNLIU,HENRONGYILIANJIEMEIGEBCMMOKUAIDESHURUHESHUCHU,RUTU5aHE5bSUOSHI。BINGLIANBCMYINGKAOLVYIXIAJIDIAN。


                  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。


                  快乐赛车网-快乐赛车网址多少 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。

                  并联PRM

                  TU6(BINGLIANPRM)

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                  WEILEBINGLIANPRMMOKUAI(TU6),XUYAOSHIYONGBINGLIANXINHAO(PRYINJIAO)LAISHIXIANGEGEMOKUAIDEJUNLIU,TONGSHI,JUTIMOKUAIDEQIYONG/JINYONGXINHAO(PCYINJIAO)XUYAOLIANJIELAITONGSHIQIDONGSUOYOUMOKUAI。RUTU6SUOSHI,YIGEPRMMOKUAIKESHEZHIWEIYIGEDIANYUANZHENLIEZHONGDE“ZHU”,YIQUDONGQITAFUZEFANKUIHEWENYADE“CONG”PRMMOKUAI。

                   

                  正弦振幅转换器(Sine Amplitude ConverterTM ,SACTM)拓扑结构:
                  快乐赛车网-快乐赛车网址多少 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。

                  SACTM 转换器

                  快乐赛车网-快乐赛车网址多少 TU7(SACTM ZHUANHUANQI)

                   

                  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电路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

                  TU8(ZVSSHENGYA-JIANGYA)

                   

                  快乐赛车网-快乐赛车网址多少 PRMZAIGUDINGKAIGUANPINLVXIAGONGZUO,TONGCHANGZAI1 MHz(ZUIDA1.5 MHz),TAHAIJUYOUTIGAOSHUCHUGONGLVDEBINGLIANNENGLI。ZVSSHENGYA-JIANGYAKAIGUANSHUNXUSHIXIANGTONGDE,WULUNTASHIJIANGYAHAISHISHENGYA。


                  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
                  快乐赛车网-快乐赛车网址多少 - 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)

                  快乐赛车网-快乐赛车网址多少 TU9(270V / 28VDAODUOLUSHUCHU)

                   

                  YOUYUYOUXIAOZAIHE,RUHANGKONG、SHUJULIANLU、LEIDA、FEIXINGKONGZHIXITONGDOUXUYAOYIGE15V、12V、5V、3.3VDEDIANYAFANWEI,XUYAOXIAYOUDC-DCZHUANHUANQIHUOniPoLTIGONGSUOXUDIANYAZUOWEIYOUXIAOZAIHEDEDUOLUSHUCHU。

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                  CHULEZHENGLIUQI,HAIYOUFEIWENYAHEFEIGELIDE270Vdc,ZHEIGEMIL-COTS DCM DC-DCZHUANHUANQIHEPicor ZVSJIANGYAWENYAQIKETIGONGJINGGELIHEWENYADEDUOLUSHUCHU。

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                  快乐赛车网-快乐赛车网址多少 ZAIDIYIJI,MDCM DC-DCJIANGYIGEFEIWENYASHURU(28VHUO270V)ZHUANHUANWEIYIGEJINGGELIHEWENYADE28V,RANHOUTONGGUOXIAYOUFEIGELISHIZVSWENYAQIZHUANHUANWEIDUOLUSHUCHU。

                   

                  ZAIHOUYIJI,Coop Power ZVSJIANGYAWENYAQIJIANG28VZHUANHUANWEIFUZAISUOXUDEDIANYA。

                   MIL-COTS DCM DC-DC转换器和Picor ZVS降压稳压器

                  BIAO2

                  图10(多路输出解决方案的效率)

                  快乐赛车网-快乐赛车网址多少 TU10(DUOLUSHUCHUJIEJUEFANGANDEXIAOLV)

                   

                  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等效电路热模型)

                  图11(ChiP等效电路热模型)

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                  DCM DC-DCZHUANHUANQITONGGUOTUPOXINGFENGZHUANGJISHU——ZHUANHUANQIJIFENGZHUANG(ChiP)JISHUJINXINGFENGZHUANG。


                  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。

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                  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)

                  快乐赛车网-快乐赛车网址多少 TU12(ZVSJIANGYATUOPUJIEGOU)

                   

                  快乐赛车网-快乐赛车网址多少 TU12XIANSHILEZVSJIANGYATUOPUJIEGOUDESHIXUTU,TAZHUYAOYOUSANGEZHUANGTAIZUCHENG,RUXIASUOSHI。


                  - 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)


                  快乐赛车网-快乐赛车网址多少 TU13(ZVSJIANGYASHIXUTU)

                   

                  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。


                  快乐赛车网-快乐赛车网址多少 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。

                  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

                  BIAO3

                   

                  无人机数据链的电源解决方案:

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                  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)。


                  快乐赛车网-快乐赛车网址多少 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。

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