采用DC-DC模块的无人机（UAV）电源解决方案

Taio

采用DC-DC模块的无人机（UAV）电源解决方案

摘要：
! o% o9 G, B+ P6 w9 g8 ^5 W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。
- v4 C; u! W$ ?1 G2 S6 h
, |, W* t1 O3 N( A% v3 l0 V8 @- Q0 G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。
, q+ `$ X$ h' x3 D8 q
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。
7 [% v6 O0 z/ Z9 D7 y8 q+ j: g( Q- n
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。
3 D/ L) {2 x7 X. ?
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。

8 Y+ ]8 H5 D7 ?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。
4 |+ g, }  n7 O* {
8 D& ^/ Z6 p: a2 \3 Z5 a& {

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。
3 J9 s" E  H* E8 {
8 M6 N" F! \7 r2 v3 u3 U; f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。
7 ]# z6 G" Q2 @$ u
无人机的典型电源链：
6 Q6 d3 B1 ^$ p3 G& ^
+ Q3 D, _, [5 h& V% ]. r6 b: m6 i
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。
  C) Q: z' j  o+ [) O( U3 i  I
; @/ M" X* Q, t! B# w: g* v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。
) q, s0 b( ~; k* z" y0 |
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。

1 D- q6 s5 A7 B. c! {. x9 ^* H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。
1 i. L) B, Z0 U6 [8 _& w$ V' 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：
9 E2 ~  [$ m/ E- j+ q7 v; Q+ D
图2
4 ^8 b$ F( o# p& x# x% l
) e$ Z- G7 Y$ t1 E9 a" w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。
8 K# f- M! v$ s
1 Z5 `8 g6 d, v9 G4 }7 u1 MGaAs发射器：
& ]$ z3 B+ S4 r# H+ l$ A' t270V至28V电源链的应用之一是GaAs发射器，如图3所示。

* T' }& M% J" v, ?" Q$ h
$ H! I. v, q. {( \% S图3（GaAs发射器电源链）

3 e. m" E4 n8 V3 }# a, Y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。
8 j- G0 {! L+ ~; T6 L1 M
: K5 Q3 L; r- S( QBCM和PRM模块可以配置超过1千瓦的电源阵列。
6 |- ~2 G+ o; |* g% ]2 [$ N# S: s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。
/ p! a" y- @, Y+ g8 m3 R" V

$ N+ ^8 X2 c% ]+ [6 u  c' q2 f
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。
5 ~# n) n) i# n* o
3 @0 b0 ^; b) N) f- VPRM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。
3 C. J* O: e7 _& o3 A+ r9 s; i9 m
7 U. G. g/ \  x
图4（GaAs发射器解决方案的效率）
BCM是一个隔离和非稳压的DC-DC转换器。
PRM是一个稳压和非隔离的DC-DC转换器。
  y/ a0 A+ i, r' I. V
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。

+ ?! C6 P$ Y" @9 w! ^1 p7 B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%。
4 K! x: f. T  c/ ^( e: B+ P

thinkfunny

了解了解