無人機電源系統設計方案探討

SAC拓撲結構是一個處于BCM模組核心位置的動態、高效能引擎。

SAC是基于變壓器的串聯諧振拓撲結構，在等于初級側儲能電路諧振頻率的固定頻率下工作。初級側的開關FET鎖定為初級的自然諧振頻率，在零交叉點開關，從而可消除開關中的功耗，提高效率，顯著減少高階雜訊諧波的產生。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-升壓拓撲結構：

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

圖8 ： ZVS降壓-升壓

PRM在固定開關頻率下工作，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能力。ZVS降壓-升壓開關順序是相同的，無論它是降壓還是升壓。

ZVS降壓-升壓拓撲結構有四級。

- Q1和Q4導通可在變壓器內儲存能量，然后藉由Q3進行ZVS轉變

- Q1和Q3導通可提供從輸入到輸出的路徑，然后藉由Q2進行ZVS轉變

- Q2和Q3導通可進入自由輪轉級，然后藉由Q4進行ZVS轉變

- 在鉗制階段Q2和Q4導通，可藉由Q1進行ZVS轉變

- 完成4級之后，就是一個循環。

28V / 270V輸入源到多路輸出DC-DC轉換：

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

除了整流器，還有非穩壓、非隔離270VDC電源，其可藉由MIL-COTS DCM DC-DC轉換器和Picor ZVS降壓穩壓器提供給隔離、穩壓的多路輸出。

在第一級，MDCM DC-DC將一個非穩壓輸入(28V或270V)轉換為一個隔離、穩壓的28V電壓，然后藉由下游非隔離式ZVS穩壓器轉換為多路輸出。

在后一級，Coop Power ZVS降壓穩壓器將28V轉換為負載所需的電壓。

DCM是一款隔離、穩壓的DC-DC轉換器。

ZVS降壓穩壓器是一款穩壓、非隔離的DC-DC轉換器。

在上一段已經提到，為了有更高的效率，隔離和穩壓不會重復。

雖然穩壓是由DCM和ZVS降壓穩壓器重復進行的，但由于ZVS降壓穩壓器的高效率，從高電壓到所需電壓的整體效率可以達到90%以上。

ChiP—轉換器級封裝：

DCM DC-DC轉換器藉由突破性封裝技術—轉換器級封裝(ChiP)技術進行封裝。

為了實現更高的功率效率、功率密度和設計靈活性，功率組件封裝技術必須持續改良，因此，ChiP的推出可優化電氣和熱效能。

ChiP產品的設計在PCB兩面都有功率組件，可減少寄生導致的損耗，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行散熱。

ChiP產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降壓拓撲結構：

除了一個連接在輸出電感器兩端的新增鉗制開關外，ZVS降壓拓撲結構與常規降壓轉換器完全相同。新增的鉗制開關允許將存儲在輸出電感器中的能量用于實現零電壓開關。

ZVS降壓拓撲結構的時序，它主要由以下三個狀態組成。

- Q1導通階段

o 假設Q1在共振躍遷后在近零電壓下接通。當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，準時達到由Q1決定的峰值電流。在Q1導通階段，能量儲存在輸出中，可為輸出電容器充電。在Q1導通階段，Q1中的功耗是由MOSFET導通電阻決定的;開關損耗可以忽略不計。

- Q2導通階段

o Q1迅速關斷，接著是一個很短時間的本體二極體導通，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載和輸出電容器。當電感器電流達到零時，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。電感器電流稍微變為負值。

-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就會關斷，而且鉗制開關就會接通，將Vs節點鉗制至輸出電壓。鉗制開關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很短時間。

o 當鉗制階段結束時，鉗制開關就會打開。輸出電感器中儲存的能量會與Q1和Q2輸出電容產生諧振，導致Vs節點向輸入電壓發出響鈴。

o 該響鈴可對Q1的輸出電容進行放電，減少Q1的米勒電荷，并可為Q2的輸出電容充電。當Vs節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

無人機的軍用標準

在一些無人機應用中，需要滿足MIL-STD-461 MIL-STD-704/1275等軍用標準，其分別代表EMI和瞬態。

此外，Vicor還提供濾波器模組和兼容型Vicor DC-DC轉換器來實現各種合規性。

Vicor濾波器模組不僅可充分滿足特定軍用標準要求，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標準。

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轉換器模組的解決方案符合MIL-STD461E標準，不是大尺寸的被動組件，可為無人機資料鏈及其它設備提供高密度電源解決方案。

結論

采用Vicor模組化電源解決方案，可以使無人機電源系統的設計具有體積小、重量輕和高密度的特點，從而可攜帶更多有效負載，執行更多任務。

此外，Vicor還將提供創新、高效能和良好品質的電源組件/解決方案，為客戶提供極大的競爭優勢。