采用DC-DC模块的无人机电源解决方案
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、重量、功率密度、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。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。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。
1 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。
2 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理想选择。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。
3 无人机的典型电源链
在典型无人机电源链中，有一个基于涡轮的发电机提供三相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。
系统和数据链路，其中每一个都需要一个3.3v、5v和12v等电压范围。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。
为了提高高效率，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。
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。
如图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。为了提高效率和降低成本，隔离和稳压没有在dc-dc转换器的每个级重复。
如图2所示，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。
270v至28v电源链的应用之一是gaas发射器，如图3所示。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。
bcm和prm模块可以配置超过1千瓦的电源阵列。
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。
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。
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%。
4 并联bcm和prm的技术
在并联bcm模块的同时，通过阻抗匹配而不是并联信号实现均流，很容易连接每个bcm模块的输入和输出，如图5a和5b所示。并联bcm应考虑以下几点：
（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。
（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。
为了并联prm模块（图6），需要使用并联信号（pr引脚）来实现各个模块的均流，同时，具体模块的启用/禁用信号（pc引脚）需要连接来同时启动所有模块。如图6所示，一个prm模块可设置为一个电源阵列中的“主”，以驱动其他负责反馈和稳压的“从”prm模块。
5 正弦振幅转换器拓扑结构
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。
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。
6 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。
prm在固定开关频率下工作，通常在1 mhz（最大1.5 mhz），它还具有提高输出功率的并联能力。zvs升压-降压开关顺序是相同的，无论它是降压还是升压。
如图8所示，zvs升压-降压拓扑结构有四个级。
（1）q1和q4导通为变压器储存能量，然后是zvs过渡的q3导通。
（2）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。
（3） q2和q3对续流级导通，然后是zvs过渡的q4导通。
（4）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。
7 28v/270v输入源到多路输出dc-dc转换
由于有效载荷，如航空、数据链路、雷达、飞行控制系统都需要一个15v、12v、5v、3.3v的电压范围，需要下游dc-dc转换器或nipol提供所需电压作为有效载荷的多路输出，如图9所示。
除了整流器，还有非稳压和非隔离的270vdc，这个mil-cots dcm dc-dc转换器和picor zvs降压稳压器可提供经隔离和稳压的多路输出。
在第一级，mdcm dc-dc将一个非稳压输入（28v或270v）转换为一个经隔离和稳压的28v，然后通过下游非隔离式zvs稳压器转换为多路输出。
在后一级，coop power zvs降压稳压器将28v转换为负载所需的电压。
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，如图10所示。
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%。
8 chip——转换器级封装
dcm dc-dc转换器通过突破性封装技术——转换器级封装（chip）技术进行封装。
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。
9 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显示了zvs降压拓扑结构的时序图，它主要由三个状态组成，如下所示。
9.1 q1导通阶段
假设q1在谐振过渡后的近零电压开启。当d-s电压几乎为0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。
9.2 q2导通阶段
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0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。
9.3 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。
10 无人机数据链的电源解决方案
如图14所示，对于无人机数据链解决方案，picor滤波模块（mpqi-18）和dc-dc模块（cool-power pi31xx）可用来提供针对12v和15v的50w（总共100w），以符合mil-std-461e emi要求。
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）。
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。
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2 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理想选择。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。
3 无人机的典型电源链
在典型无人机电源链中，有一个基于涡轮的发电机提供三相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。
系统和数据链路，其中每一个都需要一个3.3v、5v和12v等电压范围。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。
为了提高高效率，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。
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。
如图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。为了提高效率和降低成本，隔离和稳压没有在dc-dc转换器的每个级重复。
如图2所示，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。
270v至28v电源链的应用之一是gaas发射器，如图3所示。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。
bcm和prm模块可以配置超过1千瓦的电源阵列。
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。
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。
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%。
4 并联bcm和prm的技术
在并联bcm模块的同时，通过阻抗匹配而不是并联信号实现均流，很容易连接每个bcm模块的输入和输出，如图5a和5b所示。并联bcm应考虑以下几点：
（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。
（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。
为了并联prm模块（图6），需要使用并联信号（pr引脚）来实现各个模块的均流，同时，具体模块的启用/禁用信号（pc引脚）需要连接来同时启动所有模块。如图6所示，一个prm模块可设置为一个电源阵列中的“主”，以驱动其他负责反馈和稳压的“从”prm模块。
5 正弦振幅转换器拓扑结构
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。
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。
6 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。
prm在固定开关频率下工作，通常在1 mhz（最大1.5 mhz），它还具有提高输出功率的并联能力。zvs升压-降压开关顺序是相同的，无论它是降压还是升压。
如图8所示，zvs升压-降压拓扑结构有四个级。
（1）q1和q4导通为变压器储存能量，然后是zvs过渡的q3导通。
（2）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。
（3） q2和q3对续流级导通，然后是zvs过渡的q4导通。
（4）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。
7 28v/270v输入源到多路输出dc-dc转换
由于有效载荷，如航空、数据链路、雷达、飞行控制系统都需要一个15v、12v、5v、3.3v的电压范围，需要下游dc-dc转换器或nipol提供所需电压作为有效载荷的多路输出，如图9所示。
除了整流器，还有非稳压和非隔离的270vdc，这个mil-cots dcm dc-dc转换器和picor zvs降压稳压器可提供经隔离和稳压的多路输出。
在第一级，mdcm dc-dc将一个非稳压输入（28v或270v）转换为一个经隔离和稳压的28v，然后通过下游非隔离式zvs稳压器转换为多路输出。
在后一级，coop power zvs降压稳压器将28v转换为负载所需的电压。
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，如图10所示。
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%。
8 chip——转换器级封装
dcm dc-dc转换器通过突破性封装技术——转换器级封装（chip）技术进行封装。
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。
9 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显示了zvs降压拓扑结构的时序图，它主要由三个状态组成，如下所示。
9.1 q1导通阶段
假设q1在谐振过渡后的近零电压开启。当d-s电压几乎为0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。
9.2 q2导通阶段
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0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。
9.3 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。
10 无人机数据链的电源解决方案
如图14所示，对于无人机数据链解决方案，picor滤波模块（mpqi-18）和dc-dc模块（cool-power pi31xx）可用来提供针对12v和15v的50w（总共100w），以符合mil-std-461e emi要求。
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）。
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。
足坛也即将“高考”了！选购华为P20就有机会去俄罗斯见梅西
特斯拉计划凭借FSD方案实现完全自动驾驶
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硅基外延量子点激光器及其掺杂调控方面获得重要进展
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混合电路加速仿真
什么是限流电阻_限流电阻怎么用
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