无人机电源系统设计方案探讨

　　在设计无人机（UAV）用的电源系统时，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负载，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，最大限度地延迟续航时间和飞行时间，也可使热管理尽可能容易，因为即使是较少的功率损耗也会导致热传递。高灵活性和低复杂性不仅可以使电源系统设计更加容易，而且还可让无人机设计人员专注于无人机设计之其他部分，而不是在电源系统设计上花大量的时间；它不仅可节省设计完成时间，还可降低设计复杂性。

　　为了充分利用上述优势，Vicor模组电源解决方案可通过最全面产品组合的高效率、高密度、配电架构，为效能关键性无人机应用提供完整的电源解决方案。

　　无人机的种类：

　　无人机可以从远端位置进行控制，或基于预编程组态自动运行。无人机有许多应用，从具结到消防，都可以由不同类别的无人机来实现。

　　无人机的电源：

　　根据子系统之负载要求，无人机有几个电源选项。

　　锂离子电池是一种常用的电源，体积较小、成本较低，因此是100瓦和运行数天的无人机的理想选择。

　　为了有更高的能量密度和功率密度，还可以选择其他的备选电源，包括太阳能电池系统、燃气轮机以及柴油发电机等。

　　无人机的典型电源链：

　　图1 ： 无人机电源链

　　在典型的无人机电源链中，有一个基于涡轮的发电机提供3相AC电源，其可通过整流器转换为270VDC电源，然后通过隔离式DC-DC转换器转换为48VDC电源或28VDC电源。

　　无人机上有许多有效负载，包括雷达、影像、航空电子、导航、制导、飞控系统和数据传输链路，其中每一个都需要一个3.3V、5V及12V等的电压范围。因此，下游DC-DC转换器或非隔离式负载点（niPoL）都需要为所需的负载电压提供28V或48V DC母线。

　　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。配电引起的功率损耗系以I2R（R线阻）为主，由于提高电压可以最大限度地降低配电损耗，因而可减少电流；对于大型无人机更是如此，因为有很长的配电长度。

　　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，就符合安全超低电压（SELV）要求。

　　根据图1所显示的电源链，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之非稳压DC-DC转换器，而由于隔离在上游完成，第二级则需要稳压之非隔离DC-DC转换器。为了实现更高的效率和更低的解决方案成本，隔离和稳压没有在DC-DC转换器的每一级重复。

　　270V至28V DC-DC转换：

　　图2

　　除了整流器，还有非隔离之非稳压270VDC电压，藉由MIL-COTS BCM（母线转换器模组）和MIL-COTS PRM（前置稳压器模组）转换到负载用的一个隔离、稳压的电压，如28V。

　　GaAs发射器：

　　270V至28V电源链的应用之一是GaAs发射器，其方框图如图3所示。

　　图3 ： GaAs发射器电源链

　　有效负载、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模组和PRM模组并联至电源阵列，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。

　　BCM和PRM模组可以组态超过1千瓦的电源阵列。

　　BCM模组是一款隔离的非稳压DC-DC转换器模组，可藉由一个固定比K系数为SELV输出提供高电压输入。就这个特定零部件（MBCM270x450M270A00）而言，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模组是一款稳压的非隔离DC-DC转换器模组，可为负载提供稳压的电压。由于PRM输出电压可以微调，因此它可针对GaAs发射器调低至28V。

　　图4 ： GaAs发射器解决方案的效率

　　BCM是一款隔离的非稳压DC-DC转换器。

　　PRM是一款稳压的非隔离DC-DC转换器。

　　上一段已经提到，隔离和稳压并没有由DC-DC转换的每一级、或电源链中的单个DC-DC转换器重复，为的是获得更高的效率。

　　因此，藉由使用BCM和PRM模组，270V至28V DC-DC转换的整体效率可达到93.12%。

　　并联BCM和PRM的技术：

　　图5

　　在并联BCM模组的同时，很容易连接每个BCM模组的输入和输出，从而可藉由阻抗匹配（而不是并联信号）来实现均流，如图5a和5b所示。并联BCM应考虑以下几点。

　　1.藉由对称布局完成输入输出互连阻抗匹配，如图5b所示。

　　2.均匀冷却使单个BCM模组温度彼此接近。

3.每个BCM模组的启用/禁用信号（PC引脚）都需要连接起来，在同一时