【導讀】無人駕駛飛行器 (UAV) 或“無人機”正越來越多地用於重型應用，如軍事、xiaofanghenongyededimianzhencha。yishangzhexieyingyongyijiqitaxuduoyonglidouyaoqiuwurenjizaikongzhongfeixinghenchangshijian，suoyidianchibushiyigexuanxiang。xiangfan，wurenjizaifeixingguochengzhongtongguoyigenxiliudianlantigongdianyuan。

無人駕駛飛行器 (UAV) 或“無人機”正越來越多地用於重型應用，如軍事、xiaofanghenongyededimianzhencha。yishangzhexieyingyongyijiqitaxuduoyonglidouyaoqiuwurenjizaikongzhongfeixinghenchangshijian，suoyidianchibushiyigexuanxiang。xiangfan
，wurenjizaifeixingguochengzhongtongguoyigenxiliudianlantigongdianyuan。

然ran而er
，係xi繩sheng帶dai來lai了le新xin的de挑tiao戰zhan。較jiao粗cu的de係xi繩sheng雖sui然ran電dian阻zu較jiao低di，但dan重zhong量liang大da
，給gei無wu人ren機ji帶dai來lai更geng大da的de負fu荷he，限xian製zhi了le其qi承cheng載zai能neng力li。細xi電dian纜lan雖sui然ran重zhong量liang輕qing，但dan增zeng加jia了le電dian阻zu
，且qie由you於yu無wu人ren機ji係xi繩sheng通tong常chang較jiao長chang


，因yin此ci會hui造zao成cheng不bu可ke接jie受shou的de功gong率lv耗hao散san和he電dian壓ya下xia降jiang。工gong程cheng師shi們men正zheng在zai尋xun求qiu通tong過guo將jiang係xi繩sheng電dian壓ya提ti高gao到dao 800 伏來減少較細電纜帶來的損耗。這樣電壓的增加有助於降低一定功率要求下的電流。

ranhou，tiaozhanbianchenglechuliwurenjizhongdegaodianya。wurenjidepeidianwangluobixunenggoujieshougaodianyabingyouxiaodijiangqijiangzhiwurenjixitongsuoxudedidianya。renhedianyuanguanlijiejuefangandoubixushiqingqiaode，yijinliangjianshaoduifeixingqichengzainenglideyingxiang。

benwentaolunlexiliuwurenjidegaoyagongdianxitongdeyoushi。ranhoujieshilezaiweixiliuwurenjiyingyongshejipeidianwangluoshi，weishenmegaoxiaolvhegaogonglvmidudezongxianzhuanhuanqimokuai (BCM) 和零電壓開關 (ZVS) 降壓轉換器是一個很好的選擇。最後介紹了來自 Vicor 的 BCM 和 ZVS 降壓轉換器實例
，用於幫助展示如何設計一個輕巧而高效的電源網絡。

電壓越高，電纜越輕

係繩讓設計者擺脫了電池對無人機的限製（圖 1）。假(jia)設(she)地(di)麵(mian)有(you)電(dian)源(yuan)可(ke)用(yong)，無(wu)人(ren)機(ji)可(ke)以(yi)長(chang)時(shi)間(jian)保(bao)持(chi)在(zai)空(kong)中(zhong)，能(neng)夠(gou)讓(rang)它(ta)們(men)在(zai)觀(guan)察(cha)平(ping)台(tai)或(huo)超(chao)視(shi)距(ju)無(wu)線(xian)電(dian)中(zhong)繼(ji)器(qi)等(deng)應(ying)用(yong)中(zhong)發(fa)揮(hui)使(shi)用(yong)。缺(que)點(dian)是(shi)，無(wu)人(ren)機(ji)必(bi)須(xu)將(jiang)可(ke)能(neng)很(hen)重(zhong)的(de)電(dian)纜(lan)吊(diao)在(zai)高(gao)空(kong)
，這(zhe)可(ke)能(neng)限(xian)製(zhi)其(qi)工(gong)作(zuo)範(fan)圍(wei)和(he)有(you)效(xiao)載(zai)荷(he)（如相機或無線電設備）的承載能力。

圖 1：無人機可以利用通過係繩提供的電力在高空長時間停留。（圖片來源：Vicor）

商用無人機的各種係統需要多種直流電壓。例如，48 伏是電機的常見電壓
，而 12 伏
、5 伏和 3.3 伏是傳感器
、執行器和控製電子設備的典型電壓。細而輕的係繩有助於限製無人機的重量負荷
，但電纜的電阻較高（電阻隨著電纜橫截麵的減小而增大），在使用 48 伏電源時，會造成不可接受的高壓降（定義為電纜遠端的電壓降大於源電壓的 3% 至 5%）和長電纜的功率耗散。

電纜的壓降和功率耗散與其所承載的電流成正比而不是電壓。因此，例如一架商業無人機需要 1.5 千瓦 (kW) 的恒定功率，通過 48 伏電源供電，將需要 1500/48=31.25 安培 (A) 的電流。我們可以通過提高電壓來提供相同的功率，從而降低電流要求

，隨之便降低了電壓降和功率耗散。例如
，使用 800 伏電源時需要的電流僅為 1500/800 = 1.9 A。這種供電電壓允許設計者安全地使用輕型電纜。

一種用於無人機的配電網絡

為wei了le利li用yong更geng高gao的de供gong電dian電dian壓ya和he更geng輕qing的de係xi繩sheng，工gong程cheng師shi需xu要yao設she計ji配pei電dian網wang絡luo，使shi係xi繩sheng中zhong攜xie帶dai的de高gao電dian壓ya能neng夠gou安an全quan有you效xiao地di降jiang至zhi無wu人ren機ji係xi統tong所suo需xu的de工gong作zuo電dian壓ya。

圖 2 顯示了一個這樣網絡的實例。這個網絡是使用 Vicor 的 BCM 和 ZVS 降壓轉換器構建的。

圖 2：係留無人機的配電網絡。請注意用於地麵係統的 48 伏總線是如何在係繩中提升到 800 伏
，然後在無人機上又如何降低到 48 伏的。（圖片來源：Vicor）

在這個例子中，BCM 將三相 208 伏的交流電轉換為 48 伏的直流電
，供無人機的地麵計算機係統使用。然後 ZVS 降壓轉換器將 48 伏的電源減少到各個地麵設備使用的 12、5 和 3.3 伏。隨後 48 伏的直流電源由第二個 BCM 升壓到 800 伏，以盡量減少電壓下降和係繩中的功率損失。

在無人機上
，由第三個 BCM 將電壓降低到 48 伏。無人機中的配電網絡包括進一步的降壓轉換器，為相機、傳感器和邏輯器件提供適當的電壓。

該應用的推薦 BCM 是 Vicor 的 BCM4414VD1E5135C02 和 BCM4414VH0E5035M02，前者用於初始 208 伏交流電到 48 伏直流電的轉換， 後者用於 48 伏直流電到 800 伏直流電的轉換。

BCM4414VD1E5135C02 在 260 至 400 伏的總線上工作，提供 32.5 至 51.3 伏的低壓側輸出。該器件能夠提供最高 35 A 的連續低壓側電流，每立方厘米 (W/cm3) 功率密度高達 49 瓦，峰值效率為 97.7%（圖 3）。

圖 3：Vicor 的總線轉換器模塊在廣泛的低壓側電流範圍內表現出良好的效率 (TCASE = 25˚C)。（圖片來源：Vicor）

BCM4414VH0E5035M02 在 500 至 800 伏的總線上運行，提供 31.3 至 50.0 伏的低壓側輸出，最大連續功率輸出為 1.5 千瓦。連續低壓側電流、功率密度和峰值效率與其姐妹產品相同。BCM 采用 110.5 x 35.5 x 9.4 毫米 (mm) 的外殼，重 145克 (g)。

Vicor BCM 還hai提ti供gong了le靈ling活huo的de熱re管guan理li選xuan擇ze，其qi頂ding部bu和he底di部bu的de熱re阻zu非fei常chang低di。通tong過guo使shi用yong這zhe些xie器qi件jian，電dian源yuan係xi統tong設she計ji者zhe能neng夠gou減jian少shao係xi繩sheng以yi及ji地di麵mian供gong電dian設she施shi和he無wu人ren機ji的de的de尺chi寸cun和he重zhong量liang。

Vicor 的 BCM 是 DC-DC 電源
，因此在圖 2 中的第一個 BCM 之前，必須將最初的三相 208 伏交流輸入轉換為直流。適用於交流整流的器件是 Vicor 交流輸入模塊 (AIM) 
，如 AIM1714VB6MC7D5C00（圖 4）。AIM 設備可以接受 85-264 伏的交流輸入，並提供一個整流的交流輸出，電流最高 5.3 A，功率最高 450 瓦。

圖 4：BCM 需要一個整流的交流輸入。像 Vicor 的三相 AIM 模塊這樣的設備就提供了一個解決方案。（圖片來源：Vicor）

具有高功率密度和靈活性的降壓調節

一旦地麵站或無人機中的 BCM 將電壓調節到 48 伏直流，就需要 ZVS jiangyazhuanhuanqilaijinyibujiangdidianya
，yibianxianggegexitonggongdian。tebieshizaiwurenjizhong，jiangyazhuanhuanqibixujuyougaogonglvmiduhegaoxiaolv，rucicainengxingchengyigejincou
、輕量的電源。ZVS 降壓穩壓器很適合這項任務。

傳統的穩壓器 MOSFET 內的開關損耗是效率低下一個主要因素，對功率密度有負麵影響。ZVS 克服了這些損耗，對於以相對較高電壓輸入操作的降壓轉換器來說是一個特別的優勢。

ZVS（亦稱“軟開關”）的機製很複雜
，但可以把它看成 MOSFET 導通期間的傳統脈寬調製 (PWM) 功率轉換，但具有“諧振”開關交越。輸出電壓的調節是通過改變開關穩壓器的轉換頻率來調節有效占空比（如此便調節了“開啟”時間）實現的。

在 ZVS 開關關斷期間，穩壓器的 L-C dianlufashengxiezhen，shigaikaiguanshangdedianyaconglingkuayuezhifengzhi
，ranhouzaigaikaiguanbeizaicijihuoshihuiling。zaizhegeguochengzhong，wulungongzuopinlvheshurudianyaruhe，kaiguanwenyaqide MOSFET 交越損耗為零，這意味著大大節省了功率
，並大幅提高了效率。參見《零電壓開關及其電壓調節重要性綜述》。）

Vicor 生產一係列 ZVS 降壓穩壓器
，與控製電路、功率半導體和支持組件一起集成在高密度 LGA、BGA 和係統級封裝 (SiP) 器件中。開關穩壓器是對無人機配電電路其他部分所使用 BCM 的補充。ZVS 降壓穩壓器為高效率的負載點 (PoL) DC-DC 調節提供了良好的功率密度和靈活性。它們可以用來將 48 伏總線有效地降壓到 3.3、5 和 12 伏，以用於其他無人機子係統。

ZVS 降壓穩壓器的例子包括 PI352x-00 係列。PI352x-00 穩壓器隻需要一個外部電感器

、兩個電壓選擇電阻器和最少的電容器就可以構成一個完整的 DC-DC 開關模式降壓穩壓器。所有穩壓器都在 30 至 60 伏輸入條件下工作。該係列有三個器件：1. PI3523-00，提供標稱 3.3 伏輸出（2.2 至 4 伏範圍）和最高 22 A 的電流

；2. PI3525-00，提供標稱 5.0 伏輸出（4 至 6.5 伏範圍）和最高 20 A 的電流；3. PI3526-00
，提供標稱 12 伏輸出（6.5 至 14 伏範圍）和最高 18 A 的電流。這些器件均以 10 x 14 x 2.56 mm 的 LGA SiP 提供。

給功率密度網絡添加 ZVS 穩壓器

我們需要進行一些設計工作來優化無人機配電網絡中的 ZVS 降壓穩壓器的性能。圖 5 顯示了 PI352x-00 係列的每個成員所需的外部元件。

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

這些器件都需要一個外部電感器。Vicor 計算了儲能裝置的電感值，以使效率最大化。對於 PI3523 和 PI3525 穩壓器，建議使用 230 納亨 (nH) 電感器，而對於 P13526，建議使用 480 nH 電感器。

雖然 PI352x-00 係列的每個成員都能直接處理來自各自 BCM 的 48 伏直流輸入（降壓穩壓器的輸入範圍為 30 至 60 伏直流）
，但設置輸出電壓需要選擇輸出電阻器（REA1 和 REA2），這兩個電阻器共同構成了一個電阻分壓器網絡。

無論輸出電壓如何
，REA2 都應設置為 1 千歐 (kΩ) 
，以獲得最佳的抗噪能力。REA1 的值則可以通過以下公式計算：

   公式 1

除了電感值外，Vicor 還推薦了 CIN 和 COUT 電容器的值
，以確保功率級的正確啟動和高頻去耦。當市電高壓側 MOSFET 導通時，PI352x-00 係列幾乎從其低阻抗陶瓷電容器中吸取所有高頻電流。然後，在 MOSFET 關閉期間，電容器會從電源充電。表 1 列出了電容值和由此產生的紋波電流和電壓。

產品        負載電流 (A)        CIN        COUT       CIN 紋波電流 (IRMS)        COUT 紋波電流 (IRMS)  VIN 紋波 (mVPP)        VOUT 紋波 (mVPP)        載荷步（額定值的 %） (1 A/μs)        不包括紋波的瞬時偏差 (mVpk)        VOUT 恢複時間 (μs)
PI3523        22        10 x 2.2 μF        8 x 100 μF        7.3        16.1        900        75       50 至 100        110        <80
PI3525        20        10 x 2.2 μF        12 x 47 μF        8.0        14          960        75        50 至 100        160        <80
PI3526        18        10 x 2.2 μF        8 x 10 μF         10.1       11          700        210      50 至 100        260        <80
表 1：Vicor P1352x 輸入和輸出電容器在標稱線電壓和標稱微調值下的推薦值。（表格來源：Vicor）

為確保 PI352x-00 係列的最佳效率和低電磁幹擾 (EMI)，最小的印製線電阻和大電流環路回流，以及合適的元器件放置，都是至關重要的。圖 6 顯示了穩壓器和外部元件的推薦布局。這是 PI3526-00-EVAL1 PI352x-00 評估板采用的布局。

圖 6：Vicor ZVS 穩壓器

、電感器以及輸入和輸出電容器的最佳布局。（圖片來源：Vicor）

圖 6 中的藍色回路表示輸入和輸出電容器（以及 VIN 和 VOUT）之間的緊密路徑，用於穩壓器的高 AC 回流，從而幫助提高能效。

結語

為(wei)了(le)優(you)化(hua)無(wu)人(ren)機(ji)的(de)航(hang)程(cheng)和(he)負(fu)載(zai)能(neng)力(li)，工(gong)程(cheng)師(shi)們(men)已(yi)經(jing)轉(zhuan)而(er)采(cai)用(yong)高(gao)電(dian)壓(ya)的(de)係(xi)繩(sheng)。這(zhe)些(xie)措(cuo)施(shi)都(dou)最(zui)大(da)限(xian)度(du)地(di)減(jian)少(shao)了(le)電(dian)纜(lan)中(zhong)的(de)功(gong)率(lv)耗(hao)散(san)和(he)電(dian)壓(ya)降(jiang)。然(ran)而(er)

，高(gao)係(xi)繩(sheng)電(dian)壓(ya)就(jiu)需(xu)要(yao)安(an)全(quan)和(he)有(you)效(xiao)地(di)調(tiao)節(jie)到(dao)總(zong)線(xian)電(dian)壓(ya)，然(ran)後(hou)進(jin)一(yi)步(bu)降(jiang)低(di)到(dao)無(wu)人(ren)機(ji)各(ge)個(ge)電(dian)子(zi)係(xi)統(tong)所(suo)需(xu)的(de)供(gong)電(dian)電(dian)壓(ya)。

Vicor 的高功率密度和高能效 BCM 為降低和提升地麵站、係繩和無人機之間的電壓提供了一個易於實現的解決方案。這些 BCM 借助於低開關損耗的 ZVS 降壓轉換器，在將總線電壓降至無人機各子係統所需的 3.3
、5 和 12 伏電壓時，能效更是高達 97%。

(作者：Steven Keeping)

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