什么樣的電源設(shè)計(jì)，能讓無人機(jī)載荷更大、飛得更遠(yuǎn)？

無人機(jī)是一種無人駕駛的航空器，可以由人類操作員遠(yuǎn)程控制，也可以由編程的機(jī)載計(jì)算機(jī)自主導(dǎo)航。由于其為人類提供了一種利用天空的新方式，近年來備受追捧，其潛在的巨大價(jià)值也正在釋放出來。

根據(jù)Mordor Intelligence的研究報(bào)告，全球無人機(jī)市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)在2024年為352.8億美元，到2029年將增長(zhǎng)至676.4億美元，這期間的復(fù)合年增長(zhǎng)率高達(dá)13.9%。

雖然無人機(jī)起步于軍用領(lǐng)域，不過其高速而持續(xù)的市場(chǎng)增長(zhǎng)，主要得益于無人機(jī)在民用市場(chǎng)的開疆?dāng)U土，在建筑、農(nóng)業(yè)、能源、娛樂、執(zhí)法、消防、航空測(cè)繪等領(lǐng)域，無人機(jī)的滲透力越來越大，并正在定義一個(gè)區(qū)別于傳統(tǒng)航空業(yè)的全新的“低空經(jīng)濟(jì)”。以中國為例，按照工業(yè)和信息化部等四部門的規(guī)劃，到2030年，通用航空裝備（以無人機(jī)為主導(dǎo)）與各個(gè)行業(yè)融合而推動(dòng)的低空經(jīng)濟(jì)，將形成萬億級(jí)的市場(chǎng)規(guī)模。

圖1：快速興起的無人機(jī)應(yīng)用（圖源：Vicor）

不過，如果你置身于這個(gè)新興行業(yè)，在為樂觀的市場(chǎng)預(yù)期而歡欣鼓舞的同時(shí)，也一定會(huì)感受到，這種增長(zhǎng)預(yù)期正在受到傳統(tǒng)技術(shù)的限制和阻礙——想要讓無人機(jī)經(jīng)受得住市場(chǎng)和用戶的考驗(yàn)，就需要實(shí)現(xiàn)更大的有效載荷能力、更長(zhǎng)的飛行時(shí)間（更遠(yuǎn)的航程），而傳統(tǒng)技術(shù)顯然不具備這種能力，這時(shí)就需要新的技術(shù)和解決方案來提供“動(dòng)力”。

其實(shí)，人們對(duì)新技術(shù)的期待說起來也簡(jiǎn)單：考慮到載荷和航程都與自重相關(guān)，誰能夠在確保所需性能和功能的前提下，實(shí)現(xiàn)機(jī)載設(shè)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，也影響到無人機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)的方方面面。

無人機(jī)PDN輕量化設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)

眾所周知，目前主流無人機(jī)的動(dòng)力都來自于電能，同時(shí)，無人機(jī)上搭載的各種設(shè)備，如傳感器、攝像機(jī)和通信設(shè)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，也就成為了無人機(jī)設(shè)計(jì)中一個(gè)重要命題，這也是提升無人機(jī)有效載荷和航程的一個(gè)關(guān)鍵抓手。

無人機(jī)PDN輕量化的要求，可以被分解為三個(gè)電源管理上的設(shè)計(jì)目標(biāo)：

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。同時(shí)，考慮到無人機(jī)總功率會(huì)不斷增加（基于不斷增長(zhǎng)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(yàn)相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)能力了。

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

寬輸入范圍：為了支持更充沛的電能輸出，PDN需要對(duì)高至幾百伏的輸入電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而后將電能配送至各個(gè)用電負(fù)載，因此寬輸入范圍也是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)考量。此外，方案也需要具備可擴(kuò)展性，比如隨無人機(jī)電源需求的增加，通過簡(jiǎn)單的并聯(lián)即可輕松進(jìn)行電源擴(kuò)展。

想要實(shí)現(xiàn)上述的目標(biāo)，需要在深入理解無人機(jī)應(yīng)用需求的基礎(chǔ)上，從系統(tǒng)架構(gòu)到每個(gè)電源管理節(jié)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無人機(jī)PDN解決方案（圖源：Vicor）

在系統(tǒng)架構(gòu)上，Vicor將無人機(jī)PDN解決方案分為兩級(jí)：第一級(jí)是將高壓電池輸出的母線電壓降壓轉(zhuǎn)換為一個(gè)中間母線電壓（比如圖2所示 ，從800V轉(zhuǎn)換為40V），這通常是通過一個(gè)固定比率母線轉(zhuǎn)換器來完成；第二級(jí)則是使用低電壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，將中間母線電壓降至通用的28V電壓。實(shí)踐證明，這樣的架構(gòu)，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(yīng)該是更優(yōu)的選擇。

從器件層面來看，Vicor在每個(gè)電源轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)上，都采用了其開發(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(shù)百個(gè)電子元器件集成在一個(gè)緊湊的封裝中，根據(jù)需要提供隔離、穩(wěn)壓、轉(zhuǎn)換和變壓等功能，且每個(gè)電源模塊都經(jīng)過了測(cè)試，即插即用，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)開發(fā)的工作。

圖3：Vicor電源模塊優(yōu)勢(shì)特性（圖源：Vicor）

歸納起來，在無人機(jī)應(yīng)用中，Vicor這種基于電源模塊的PDN解決方案，可以帶來三大優(yōu)勢(shì)：

高度集成，結(jié)構(gòu)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(tǒng)，優(yōu)化了整個(gè)系統(tǒng)的熱管理。

經(jīng)過測(cè)試的電源模塊，便于在系統(tǒng)中應(yīng)用集成，無需重復(fù)測(cè)試和確認(rèn)設(shè)計(jì)，加速開發(fā)進(jìn)程。

有了優(yōu)化的系統(tǒng)架構(gòu)，加上Vicor豐富的電源模塊產(chǎn)品組合，這就構(gòu)成了一個(gè)完整的開發(fā)平臺(tái)，無論是哪種無人機(jī)的PDN應(yīng)用，都可以在其中快速找到對(duì)應(yīng)的解決方案。

理想的母線轉(zhuǎn)換器模塊

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

圖4：BCM母線轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換。之所以選擇這種固定比率的DC-DC轉(zhuǎn)換方式，而不是常見的穩(wěn)壓式方案，是因?yàn)榉€(wěn)壓DC-DC轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)更復(fù)雜——而對(duì)于中間配電母線電壓而言，穩(wěn)壓并不那么重要；與之相較，固定比率轉(zhuǎn)換器則可在更小的尺寸下提供比穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換器更高的效率，對(duì)于簡(jiǎn)化系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)小型化和輕量化、提升PDN整體系統(tǒng)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(yīng)不同應(yīng)用所需。同時(shí)，BCM系列利用Vicor諧振正弦振幅轉(zhuǎn)換器（SAC）拓?fù)?，利用高頻零電壓開關(guān)（ZVS）和零電流開關(guān)（ZCS）實(shí)現(xiàn)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(yīng)。

此外，BCM的低交流阻抗超出了大多數(shù)下游穩(wěn)壓器的帶寬，這使得通常放置于穩(wěn)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(duì)大容量電容的要求，節(jié)省電路板面積和系統(tǒng)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也可通過串聯(lián)實(shí)現(xiàn)更高的Vout，具有靈活的可擴(kuò)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，以滿足更復(fù)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(kuò)展……這些差異化的特性，讓BCM模塊在高輸入電壓、大功率的無人機(jī)應(yīng)用中，確立了獨(dú)特的價(jià)值優(yōu)勢(shì)。

賦能輕量化無人機(jī)PDN應(yīng)用

BCM模塊在無人機(jī)領(lǐng)域的一個(gè)典型應(yīng)用，就是通信無人機(jī)的PDN設(shè)計(jì)。

通信無人機(jī)的特點(diǎn)是利用太陽能作為能量源，來滿足其長(zhǎng)時(shí)間飛行的需求，為特定場(chǎng)景提供無線通信連接服務(wù)。太陽能電源系統(tǒng)使用極大功率點(diǎn)跟蹤 (MPPT) 電路確保太陽能的采集和轉(zhuǎn)換，PDN的工作則是將太陽能電池板輸出的350V高壓直流母線電壓轉(zhuǎn)換為48V的中間母線電壓，或者可以作為二級(jí)電池的充電電壓。

圖5：通信無人機(jī)利用太陽能作為能量源（圖源：Vicor）

針對(duì)這一特定應(yīng)用，Vicor的解決方式是：采用BCM6123完成350V到48V中間母線的隔離轉(zhuǎn)換；再由具有極寬輸入電壓范圍的PI3741 ZVS升降壓穩(wěn)壓器，將中間母線電壓轉(zhuǎn)換為嚴(yán)格穩(wěn)壓的28V輸出，為各個(gè)無人機(jī)負(fù)載供電。

圖6：面向通信無人機(jī)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封裝的母線轉(zhuǎn)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(dá)125A。BCM6123模塊的輸出電壓為8.1V至51.3V，效率高達(dá)98%。其同樣可以通過并聯(lián)輸入和輸出實(shí)現(xiàn)高功率陣列。同時(shí)，BCM6123還具有數(shù)字PMBus通信功能，可在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)控制和遙測(cè)功能。

圖7：BCM6123 ChiP母線轉(zhuǎn)換器模塊（圖源：Vicor）

可以說，BCM6123模塊能夠滿足通信無人機(jī)對(duì)于高效、小型化、輕量級(jí)PDN的所有需要。同樣，如果你需要其他無人機(jī)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的無人機(jī)PDN解決方案集（圖源：Vicor）

本文小結(jié)

無人機(jī)技術(shù)正在迅猛發(fā)展，隨著產(chǎn)品的迭代升級(jí)，其對(duì)電能需求也越來越大。簡(jiǎn)單地讓無人機(jī)“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(xù)航能力，這是不能接受的。而傳統(tǒng)的無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)，缺乏高功率密度、高效率、輕量級(jí)的解決方案，來滿足新型無人機(jī)的新需求。

為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，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)品的為無人機(jī)專門優(yōu)化的PDN，提高效率、可靠性、減輕重量和尺寸，以實(shí)現(xiàn)更大的航程和飛行時(shí)間。這應(yīng)該就是無人機(jī)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)這道難題的正確答案。

文章來源：貿(mào)澤電子