什么樣的電源設計，能讓無(wú)人機載荷更大、飛得更遠？

無(wú)人機是一種無(wú)人駕駛的航空器，可以由人類(lèi)操作員遠程控制，也可以由編程的機載計算機自主導航。由于其為人類(lèi)提供了一種利用天空的新方式，近年來(lái)備受追捧，其潛在的巨大價(jià)值也正在釋放出來(lái)。

根據Mordor Intelligence的研究報告，全球無(wú)人機市場(chǎng)規模預計在2024年為352.8億美元，到2029年將增長(cháng)至676.4億美元，這期間的復合年增長(cháng)率高達13.9%。

雖然無(wú)人機起步于軍用領(lǐng)域，不過(guò)其高速而持續的市場(chǎng)增長(cháng)，主要得益于無(wú)人機在民用市場(chǎng)的開(kāi)疆擴土，在建筑、農業(yè)、能源、娛樂(lè )、執法、消防、航空測繪等領(lǐng)域，無(wú)人機的滲透力越來(lái)越大，并正在定義一個(gè)區別于傳統航空業(yè)的全新的“低空經(jīng)濟”。以中國為例，按照工業(yè)和信息化部等四部門(mén)的規劃，到2030年，通用航空裝備（以無(wú)人機為主導）與各個(gè)行業(yè)融合而推動(dòng)的低空經(jīng)濟，將形成萬(wàn)億級的市場(chǎng)規模。

圖1：快速興起的無(wú)人機應用（圖源：Vicor）

不過(guò)，如果你置身于這個(gè)新興行業(yè)，在為樂(lè )觀(guān)的市場(chǎng)預期而歡欣鼓舞的同時(shí)，也一定會(huì )感受到，這種增長(cháng)預期正在受到傳統技術(shù)的限制和阻礙——想要讓無(wú)人機經(jīng)受得住市場(chǎng)和用戶(hù)的考驗，就需要實(shí)現更大的有效載荷能力、更長(cháng)的飛行時(shí)間（更遠的航程），而傳統技術(shù)顯然不具備這種能力，這時(shí)就需要新的技術(shù)和解決方案來(lái)提供“動(dòng)力”。

其實(shí)，人們對新技術(shù)的期待說(shuō)起來(lái)也簡(jiǎn)單：考慮到載荷和航程都與自重相關(guān)，誰(shuí)能夠在確保所需性能和功能的前提下，實(shí)現機載設備的輕量化、小型化和高效率，那就是理想的解決方案！這一核心訴求，也影響到無(wú)人機設計開(kāi)發(fā)的方方面面。

無(wú)人機PDN輕量化設計的挑戰

眾所周知，目前主流無(wú)人機的動(dòng)力都來(lái)自于電能，同時(shí)，無(wú)人機上搭載的各種設備，如傳感器、攝像機和通信設備，也都需要電源，這就決定了供電網(wǎng)絡(luò )（PDN）是必不可少的一環(huán)。如何提高PDN的效率、可靠性，減輕重量和尺寸，為更大的有效載荷和功能騰出空間，也就成為了無(wú)人機設計中一個(gè)重要命題，這也是提升無(wú)人機有效載荷和航程的一個(gè)關(guān)鍵抓手。

無(wú)人機PDN輕量化的要求，可以被分解為三個(gè)電源管理上的設計目標：

小型輕量：PDN中所有電源管理組件，都要盡可能做到更小、更輕，這一要求顯而易見(jiàn)。同時(shí)，考慮到無(wú)人機總功率會(huì )不斷增加（基于不斷增長(cháng)的動(dòng)力和功能性需求），電源管理組件的功率密度也要增加，這就十分考驗相關(guān)產(chǎn)品的設計能力了。

高效率：在恒定的功率輸出下，效率越高，則意味著(zhù)傳輸和轉換過(guò)程中無(wú)謂的能耗更少，自然有利于提高無(wú)人機的續航能力。同時(shí)，高效率也有助于簡(jiǎn)化散熱系統，避免使用笨重的散熱組件，為無(wú)人機“減負”。

寬輸入范圍：為了支持更充沛的電能輸出，PDN需要對高至幾百伏的輸入電壓進(jìn)行轉換，而后將電能配送至各個(gè)用電負載，因此寬輸入范圍也是一個(gè)重要的設計考量。此外，方案也需要具備可擴展性，比如隨無(wú)人機電源需求的增加，通過(guò)簡(jiǎn)單的并聯(lián)即可輕松進(jìn)行電源擴展。

想要實(shí)現上述的目標，需要在深入理解無(wú)人機應用需求的基礎上，從系統架構到每個(gè)電源管理節點(diǎn)上的模塊/器件，做全面的優(yōu)化，以形成理想的解決方案。在這方面，Vicor就是個(gè)中高手。

圖2：Vicor無(wú)人機PDN解決方案（圖源：Vicor）

在系統架構上，Vicor將無(wú)人機PDN解決方案分為兩級：第一級是將高壓電池輸出的母線(xiàn)電壓降壓轉換為一個(gè)中間母線(xiàn)電壓（比如圖2所示 ，從800V轉換為40V），這通常是通過(guò)一個(gè)固定比率母線(xiàn)轉換器來(lái)完成；第二級則是使用低電壓DC-DC轉換器，將中間母線(xiàn)電壓降至通用的28V電壓。實(shí)踐證明，這樣的架構，不僅可優(yōu)化效率和功率密度，而且還有利于簡(jiǎn)化熱管理，應該是更優(yōu)的選擇。

從器件層面來(lái)看，Vicor在每個(gè)電源轉換節點(diǎn)上，都采用了其開(kāi)發(fā)的高效、高功率密度的電源模塊。每個(gè)電源模塊都是將數百個(gè)電子元器件集成在一個(gè)緊湊的封裝中，根據需要提供隔離、穩壓、轉換和變壓等功能，且每個(gè)電源模塊都經(jīng)過(guò)了測試，即插即用，大大簡(jiǎn)化了系統開(kāi)發(fā)的工作。

圖3：Vicor電源模塊優(yōu)勢特性（圖源：Vicor）

歸納起來(lái)，在無(wú)人機應用中，Vicor這種基于電源模塊的PDN解決方案，可以帶來(lái)三大優(yōu)勢：

高度集成，結構緊湊，重量輕，支持更大的功率密度。

高效率簡(jiǎn)化了散熱系統，優(yōu)化了整個(gè)系統的熱管理。

經(jīng)過(guò)測試的電源模塊，便于在系統中應用集成，無(wú)需重復測試和確認設計，加速開(kāi)發(fā)進(jìn)程。

有了優(yōu)化的系統架構，加上Vicor豐富的電源模塊產(chǎn)品組合，這就構成了一個(gè)完整的開(kāi)發(fā)平臺，無(wú)論是哪種無(wú)人機的PDN應用，都可以在其中快速找到對應的解決方案。

理想的母線(xiàn)轉換器模塊

在Vicor的無(wú)人機PDN解決方案中，作為第一級的母線(xiàn)轉換器是關(guān)鍵的第一步。為此，Vicor提供了BCM??母線(xiàn)轉換器模塊，這是一款高密度、高效率、固定比率（非穩壓）隔離式 DC-DC 轉換器模塊，其可將輸入電壓按照一定比例進(jìn)行降壓轉換，并提供電流隔離，峰值效率高達98%，功率密度高達2,870W / in3。

圖4：BCM母線(xiàn)轉換器模塊（圖源：Vicor）

BCM模塊本質(zhì)上是一個(gè)非常小的高頻DC-DC“變壓器”，按照固定比例（K值）進(jìn)行電壓轉換。之所以選擇這種固定比率的DC-DC轉換方式，而不是常見(jiàn)的穩壓式方案，是因為穩壓DC-DC轉換器的結構更復雜——而對于中間配電母線(xiàn)電壓而言，穩壓并不那么重要；與之相較，固定比率轉換器則可在更小的尺寸下提供比穩壓轉換器更高的效率，對于簡(jiǎn)化系統、實(shí)現小型化和輕量化、提升PDN整體系統效率大有裨益。

BCM系列支持從48V到800V的輸入范圍，提供各種K值的產(chǎn)品，以適應不同應用所需。同時(shí)，BCM系列利用Vicor諧振正弦振幅轉換器（SAC）拓撲，利用高頻零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）和零電流開(kāi)關(guān)（ZCS）實(shí)現了出色的高效率和功率密度，同時(shí)具有低噪聲和快速瞬態(tài)響應。

此外，BCM的低交流阻抗超出了大多數下游穩壓器的帶寬，這使得通常放置于穩壓器輸入端的大容量電容可以移至BCM的高壓輸入端，有利于降低對大容量電容的要求，節省電路板面積和系統成本。

值得一提的是，BCM模塊還可以很輕松地并聯(lián)到更高功率的陣列中；BCM也可通過(guò)串聯(lián)實(shí)現更高的Vout，具有靈活的可擴展性。

Vicor的BCM采用ChiP或Vicor集成型適配器 (VIA) 封裝，它們都在散熱方面都進(jìn)行了優(yōu)化，而且有些模塊還集成了PMBus通信和EMI濾波，以滿(mǎn)足更復雜的功能性要求。

總之，高效率、高功率密度、有利于散熱的封裝、靈活可擴展……這些差異化的特性，讓BCM模塊在高輸入電壓、大功率的無(wú)人機應用中，確立了獨特的價(jià)值優(yōu)勢。

賦能輕量化無(wú)人機PDN應用

BCM模塊在無(wú)人機領(lǐng)域的一個(gè)典型應用，就是通信無(wú)人機的PDN設計。

通信無(wú)人機的特點(diǎn)是利用太陽(yáng)能作為能量源，來(lái)滿(mǎn)足其長(cháng)時(shí)間飛行的需求，為特定場(chǎng)景提供無(wú)線(xiàn)通信連接服務(wù)。太陽(yáng)能電源系統使用極大功率點(diǎn)跟蹤 (MPPT) 電路確保太陽(yáng)能的采集和轉換，PDN的工作則是將太陽(yáng)能電池板輸出的350V高壓直流母線(xiàn)電壓轉換為48V的中間母線(xiàn)電壓，或者可以作為二級電池的充電電壓。

圖5：通信無(wú)人機利用太陽(yáng)能作為能量源（圖源：Vicor）

針對這一特定應用，Vicor的解決方式是：采用BCM6123完成350V到48V中間母線(xiàn)的隔離轉換；再由具有極寬輸入電壓范圍的PI3741 ZVS升降壓穩壓器，將中間母線(xiàn)電壓轉換為嚴格穩壓的28V輸出，為各個(gè)無(wú)人機負載供電。

圖6：面向通信無(wú)人機的PDN解決方案（圖源：Vicor）

該方案中用到的BCM6123是BCM系列的主打產(chǎn)品之一，是一款基于ChiP封裝的母線(xiàn)轉換器模塊，額定工作輸入電壓為380VDC，具有隔離式安全超低電壓 (SELV) 二次輸出，輸出電流高達125A。BCM6123模塊的輸出電壓為8.1V至51.3V，效率高達98%。其同樣可以通過(guò)并聯(lián)輸入和輸出實(shí)現高功率陣列。同時(shí)，BCM6123還具有數字PMBus通信功能，可在系統設計中實(shí)現控制和遙測功能。

圖7：BCM6123 ChiP母線(xiàn)轉換器模塊（圖源：Vicor）

可以說(shuō)，BCM6123模塊能夠滿(mǎn)足通信無(wú)人機對于高效、小型化、輕量級PDN的所有需要。同樣，如果你需要其他無(wú)人機PDN解決方案，也可以在Vicor的方案集中找到心儀的那一款。

圖8：Vicor的無(wú)人機PDN解決方案集（圖源：Vicor）

本文小結

無(wú)人機技術(shù)正在迅猛發(fā)展，隨著(zhù)產(chǎn)品的迭代升級，其對電能需求也越來(lái)越大。簡(jiǎn)單地讓無(wú)人機“背”上容量更大的電池、增大輸出功率，顯然會(huì )犧牲掉更為關(guān)鍵的有效載荷和續航能力，這是不能接受的。而傳統的無(wú)人機動(dòng)力系統，缺乏高功率密度、高效率、輕量級的解決方案，來(lái)滿(mǎn)足新型無(wú)人機的新需求。

為了應對這一挑戰，Vicor提出了一個(gè)創(chuàng )新的思路：打造一個(gè)基于模塊化電源產(chǎn)品的為無(wú)人機專(zhuān)門(mén)優(yōu)化的PDN，提高效率、可靠性、減輕重量和尺寸，以實(shí)現更大的航程和飛行時(shí)間。這應該就是無(wú)人機電源系統設計這道難題的正確答案。

文章來(lái)源：貿澤電子