采用DC-DC模块的无人机（UAV）电源解决方案

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采用DC-DC模块的无人机（UAV）电源解决方案

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摘要：
: p$ w8 q! S" r% S6 h- n5 t在设计针对的电源系统时，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。
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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。

/ S1 a) d& G* c( q9 @, J0 e! t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。

, _7 y" [% |% A$ a  Z为了利用以上提到的优势，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。
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无人机的种类：
9 m  j5 c" p6 X/ h: d: K0 _: [* I1 R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。
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2 O5 j9 A1 V2 E" v+ C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。

( l& V3 @7 w6 E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。
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% P" E+ P4 R2 K. p5 D: Q无人机的典型电源链：

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图1（UAV电源链）
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7 E" b* d: R4 p7 F3 s) d' n6 J" [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。
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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。
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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。
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  g5 [& q; C  \* X  z9 ~- g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。

/ |* h8 @5 V* j7 |3 X. i: G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
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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。
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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。
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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。
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+ V# r6 N  F3 _2 _, D- V( SBCM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。

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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。

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8 P# f! V9 U) w. y, B6 M' R$ L" Q图4（GaAs发射器解决方案的效率）
& p0 H/ d4 s6 ^$ W1 ]! HBCM是一个隔离和非稳压的DC-DC转换器。
+ h6 r% ~7 J$ ~3 `( W# qPRM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。
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* f0 L% o8 b# u) e# G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%。
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