如何為繫留無人機設計高效率的模組化電力傳輸網路

無人飛行載具 (UAV) 或「無人機 (drone)」在重型應用中的用途不斷增加，例如軍事、消防、農業的地面偵察。眾多實際運用要求無人機長時間在空中飛行，因此不可能使用電池，而是讓無人機在飛行期間由繫留電纜供電。

然而，繫纜帶來新的挑戰。較粗的繫纜提供較低的電阻，但會給無人機帶來更大的負載，限制其承載能力。細電纜則會增加電阻，在通常很長的無人機繫纜上產生無法接受的功耗和壓降。工程師希望藉由將繫纜電壓提高到 800 V，克服較細電纜的相關損耗。如此有助於在給定功率要求下降低電流。

接下來的挑戰是如何處理無人機中的高壓。無人機的配電網路必須能夠承受高壓，並有效率將其降壓至無人機系統所需的較低電壓。任何電源管理解決方案都必須輕巧緊湊，以盡量減少對飛行器承載能力的影響。

本文討論繫留無人機高壓供電系統的優勢。接著解釋為何在設計繫留無人機應用配電網路時，採用高效率和高功率密度匯流排轉換器模組 (BCM) 和零電壓切換 (ZVS) 降壓轉換器是一個不錯的選擇。本文將介紹 Vicor 的 BCM 和 ZVS 降壓轉換器範例，協助展示如何設計輕型但高效率的電源網路。

更高的電壓可讓電纜更輕

繫纜讓設計人員擺脫電池對無人機的限制 (圖 1)。假設有地面電源，無人機可以維持長時間在空中，允許在觀測平台或超視距無線電中繼等應用中運作。缺點是無人機必須在高處吊起一根可能很重的電纜，這會限制其操作範圍和對攝影機或無線電設備等的有效荷重能力。

圖 1：使用繫纜供電的無人機可以在空中長時間停留。(圖片來源：Vicor)

商用無人機的各種系統需要多種直流電壓。例如，48 V 常見於馬達，而 12、5、3.3 V 一般用於感測器、致動器、控制電子設備。細而輕的繫纜有助於減輕無人機的重量負載，但此電纜具有較高電阻 (電阻隨著電纜橫截面減小而增加)，會導致無法接受的高壓降 (定義為大於電纜遠端電源 3% 到 5% 的壓降)，以及在使用 48 V 電源時的長電纜功耗。

電纜的壓降和功耗與其承載的電流成正比，而不是與電壓成正比。因此，需要 48 V 電源供電的 1.5 kW 恆定功率商用無人機，將需要 1500/48 = 31.25 A 的電流。透過增加電壓提供相同的功率，便可降低電流要求，進而降低壓降和功耗。例如，使用 800 V 電源需要的電流僅為 1500/800 = 1.9 A。這種電源允許設計人員安全使用輕型電纜。

無人機的電力傳輸網路

為了利用更高電壓的電源和更輕的繫纜，工程師需要設計能夠安全有效地將繫纜中攜帶的高壓降低到無人機系統所需的工作電壓的配電網路。

圖 2 顯示此類網路的範例。此網路使用 Vicor 的 BCM 和 ZVS 降壓轉換器建構。

圖 2：繫留無人機的配電網路。請注意，用於地面系統的 48 V 匯流排在繫纜中升壓至 800 V，然後在無人機處降回 48 V。(圖片來源：Vicor)

在此範例中，BCM 將三相 208 VAC 電源轉換為無人機地面電腦系統的 48 VDC 電源。ZVS 降壓轉換器將 48 V 電源降低為各個地面裝置使用的 12、5、3.3 V 電源。然後，第二個 BCM 將 48 VDC 電源升壓至 800 V，將繫纜中的壓降和功耗降至最低。

在無人機處，第三個 BCM 將電壓降低回 48 V。無人機中的配電網路包括進一步的降壓轉換器，為攝影機、感測器、邏輯裝置提供適當的電壓。

此應用建議的 BCM 是 Vicor 的 BCM4414VD1E5135C02，用於初始 208 VAC 到 48 VDC 轉換，以及 BCM4414VH0E5035M02，用於 48 VDC 到 800 VDC 和反向轉換。

BCM4414VD1E5135C02 在 260 至 400 V 匯流排電壓下運作，並提供 32.5 至 51.3 V 的低側輸出。該元件提供高達 35 A 的連續低側電流、高達 49 W/cm³ 的功率密度和 97.7% 的峰值效率 (圖 3)。

圖 3：Vicor 的匯流排轉換器模組在寬廣的低側電流範圍內展現良好效率 (T_CASE = 25˚C)。(圖片來源：Vicor)

BCM4414VH0E5035M02 在 500 至 800 V 匯流排上運作，提供 31.3 至 50.0 V 的低側輸出，最大連續功率輸出為 1.5 kW。連續低側電流、功率密度和峰值效率與其姊妹產品相同。BCM 採用 110.5 x 35.5 x 9.4 mm 的外殼，重 145 g。

Vicor 的 BCM 還提供靈活的熱管理選項，具有超低頂端和底部熱阻。運用這些裝置，電源系統設計人員能夠縮減繫纜、地面電源和無人機的尺寸和重量。

Vicor 的 BCM 是 DC-DC 電源，因此初始三相 208 VAC 輸入必須在圖 2 中的第一個 BCM 之前轉換為直流。適合交流整流的裝置是 Vicor 交流輸入模組 (AIM)，例如 AIM1714VB6MC7D5C00 (圖 4)。AIM 裝置可接受 85 至 264 VAC 輸入，並提供電流高達 5.3 A 和功率高達 450 W 的整流交流輸出。

圖 4：BCM 需要經過整流的交流輸入。Vicor 的三相 AIM 模組等裝置提供解決方案。(圖片來源：Vicor)

具有高功率密度和靈活性的降壓調節

地面站或無人機中的 BCM 將電壓調節至 48 VDC 後，就需要 ZVS 降壓轉換器進一步降低各種系統供電線路的電壓。特別是在無人機中，降壓轉換器必須具有高功率密度和高效率，以便組成緊湊且輕量的電源供應器。ZVS 降壓穩壓器可勝任這項任務。

傳統穩壓器 MOSFET 中的切換損耗是效率低下的一個關鍵來源，會對功率密度造成負面影響。ZVS 可因應這些損耗，對於以相對較高電壓輸入運作的降壓轉換器而言，絕對是優勢。

ZVS (也稱為「軟切換」) 的機制很複雜，最佳定義為 MOSFET 導通時間的傳統脈寬調變 (PWM) 功率轉換，但具有「諧振」切換轉換。輸出電壓透過改變切換式穩壓器的轉換頻率，調整有效工作週期 (即「導通」時間) 進行調節。

在 ZVS 切換非導通時間，穩壓器的 L-C 電路會諧振，使兩端的電壓從零上升到峰值，然後在切換可以重新啟動時再次下降到零。在此過程中，無論工作頻率和輸入電壓為何，切換式穩壓器的 MOSFET 的轉換損耗為零，這代表顯著的功率節省和大幅提高效率。(請參閱《探討零電壓切換與其對穩壓的重要性》。)

Vicor 生產一系列 ZVS 降壓穩壓器，這些穩壓器與高密度 LGA、BGA 和系統級封裝 (SiP) 裝置中的控制電路、功率半導體和支援組件整合。切換穩壓器補足無人機配電電路其他部分中使用的 BCM。ZVS 降壓穩壓器為高效率負載點 (PoL) DC-DC 調節提供良好的功率密度和靈活性。可用於將其他無人機子系統的 48 V匯流排有效降壓至 3.3、5、12 V。

ZVS 降壓調節器的範例包括 PI352x-00 系列。PI352x-00 穩壓器僅需一個外部電感、兩個電壓選擇電阻和最少數量的電容，即可構成一個完整的 DC-DC 切換式降壓穩壓器。所有穩壓器均在 30 至 60 V 輸入電壓下工作。該系列共有三款元件：PI3523-00，提供標稱 3.3 V 輸出 (2.2 至 4 V 範圍) 和高達 22 A 的電流；PI3525-00，提供標稱 5.0 V 輸出 (4 至 6.5 V 範圍) 和高達 20 A 的電流；PI3526-00，提供標稱 12 V 輸出 (6.5 至 14 V 範圍) 和高達 18 A 的電流。這些元件採用 10 x 14 x 2.56 mm 的 LGA SiP。

將 ZVS 穩壓器添加到功率密度網路

需要進行一些設計，才能最佳化無人機配電網路中 ZVS 降壓穩壓器的效能。圖 5 顯示 PI352x-00 系列的每個成員所需的外部組件。

圖 5：Vicor 的 ZVS 降壓穩壓器需要一個外部電感、一個用於設置輸出電壓的電阻分壓器網路以及用於濾波的電容。(圖片來源：Vicor)

每個裝置都需要一個外部電感。Vicor 計算能量儲存裝置的電感值，以便達到最高效率。對於 PI3523 和 PI3525 穩壓器，建議使用 230 nH 電感，且建議將 480 nH 電感搭配 P13526 使用。

雖然 PI352x-00 系列的每個成員都可以直接處理來自各自 BCM 的 48 VDC 輸入 (降壓穩壓器的輸入範圍為 30 至 60 VDC)，但設置輸出電壓需要選擇輸出電阻 (REA1 和 REA2)，一起構成一個電阻分壓器網路。

無論輸出電壓為何，REA2 都應設定為 1 kΩ 以獲得最佳抗噪性。接著可以根據以下公式計算 REA1 的值：

除了電感值外，Vicor 還建議 C_IN 和 C_OUT 電容值，以確保功率級的正確啟動和高頻解耦。主要的高側 MOSFET 導通時，PI352x-00 系列從其低阻抗陶瓷電容吸收幾乎所有高頻電流。然後，在 MOSFET 關閉期間，電容從電源得到補充。表 1 列出電容值以及產生的漣波電流和電壓。

表 1：Vicor 的 P1352x 輸入和輸出電容在標稱線路電壓和標稱微調條件下的建議值。(表格來源：Vicor)

為確保 PI352x-00 系列達到最佳效率和低電磁干擾 (EMI)，最小的走線電阻和高電流迴路返回以及正確的組件放置都很重要。圖 6 顯示穩壓器和外部組件的建議佈局。這是 PI3526-00-EVAL1 PI352x-00 評估板採用的佈局。

圖 6：Vicor 的 ZVS 穩壓器、電感以及輸入和輸出電容的最佳佈局。(圖片來源：Vicor)

圖 6 中的藍色迴路表示輸入和輸出電容 (以及 V_IN 和 V_OUT) 之間的緊密路徑，用於穩壓器的高 AC 返回電流，這有助於提高效率。

結論

為了最佳化無人機的航程和負載能力，工程師轉向使用高電壓繫繩。這可以將電纜中的功耗和壓降降至最低。然而，高繫纜電壓需要安全、有效地調節至匯流排電壓，接著進一步降低至無人機電子系統所需的電源電壓。

Vicor 的高功率密度和高效率 BCM 提供容易實作的解決方案，用於針對地面站、繫纜和無人機之間進行升壓和降壓。BCM 由低切換損耗 ZVS 降壓轉換器輔助，將匯流排電壓降低至無人機各種子系統所需的 3.3、5、12 V 時，該轉換器可提供 97% 的效率。