无人机 (UAV) 或“无人机”越来越多地用于重型应用，例如军事、消防和农业的地面侦察。这些和许多其他用例要求无人机长时间在空中飞行，因此电池不是一种选择。相反，无人机在飞行期间通过系留电缆供电。

　　然而，系绳带来了新的挑战。较厚的系绳提供较低的电阻，但对无人机施加更大的负载，限制了其承载能力。细电缆会增加电阻，导致无人机系绳通常很长的长度上出现不可接受的功耗和电压降。工程师们希望通过将系线电压提高到 800 伏来克服与更细电缆相关的损耗。这种增加有助于降低给定功率要求的电流。

　　然后，挑战就变成了处理无人机中的高压。无人机的配电网络必须能够承受高压，并有效地将其降压到无人机系统所需的较低电压。任何电源管理解决方案都必须轻巧紧凑，以尽量减少对车辆承载能力的影响。

　　本文讨论了系留无人机高压供电系统的优势。然后解释了为什么在为系留无人机应用设计配电网络时，高效率和高功率密度母线转换器模块 (BCM) 和零电压开关 (ZVS) 降压 (“降压”) 电压转换器是一个不错的选择。BCM 和 ZVS 降压转换器示例 Vicor 介绍并用于帮助展示如何设计轻巧而高效的电网。

　　更高的电压使电缆更轻

　　系绳使设计人员摆脱了电池对无人机的限制(图 1)。假设地面电源可用，无人机可以长时间保持空中飞行，允许它们在观察平台或超视距无线电中继等应用中运行。缺点是无人机必须将潜在的重型电缆吊到高处，这可能会限制其操作范围和对相机或无线电设备等有效载荷的承载能力。

　　图 1：无人机可以使用系绳供电长时间停留在空中。(图片来源：维科)

　　商用无人机的各种系统需要多个直流电压。例如，48 伏是电机的常见电压，而 12、5 和 3.3 伏是传感器、执行器和控制电子设备的典型电压。轻薄的系绳有助于限制无人机上的重量负载，但电缆的较高电阻(电阻随着电缆横截面的减小而增加)会导致不可接受的高压降(定义为电压降大于电缆远端源电压的 3% 至 5%)和使用 48 伏电源时长电缆的功耗。

　　电缆的压降和功耗与其承载的电流成正比，而不是与电压成正比。因此，例如，需要通过 1.5 伏电源供电的 48 千瓦 (kW) 恒定功率的商用无人机将需要 1500/48 = 31.25 安培 (A) 的电流。通过增加电压可以提供相同的功率，从而降低电流要求，从而降低电压降和功耗。例如，使用 800 伏电源只需要 1500/800 = 1.9 A 的电流。这样的电源使设计人员能够安全地使用轻质电缆。

　　无人机的供电网络

　　为了利用更高电压的电源和更轻的系线，工程师需要设计配电网络，以便能够安全有效地将系线中携带的高压降压到无人机系统所需的工作电压。

　　图 2 显示了此类网络的示例。该网络是使用 Vicor 的 BCM 和 ZVS 降压转换器构建的。

　　图 2：系留无人机的配电网络。请注意，用于地面系统的 48 伏总线如何在系绳中提升到 800 伏，然后在无人机上降低到 48 伏。(图片来源：维科)

　　在此示例中，BCM 将无人机地面计算机系统的三相 208 伏交流电源转换为 48 伏直流电。ZVS 降压转换器将 48 伏电源降低到各个接地设备使用的 12、5 和 3.3 伏。然后将 48 伏直流电源升压第二个 BCM 至 800 伏，以最大限度地减少系线中的压降和功率损耗。

　　在无人机上，第三个BCM然后将电压降低回48伏。无人机中的配电网络包括更多的降压转换器，为相机、传感器和逻辑器件提供适当的电压。

　　此应用的建议 BCM 是 Vicor 的 BCM4414VD1E5135C02 用于初始 208 伏交流电到 48 伏直流电转换，以及 BCM4414VH0E5035M02 用于 48 伏直流电到 800 伏直流电和反向转换。

　　BCM4414VD1E5135C02 采用 260 至 400 V 总线工作，提供 32.5 至 51.3 V 的低侧输出。该器件提供高达 35 A 的连续低边电流，每立方厘米 (W/cm ) 高达 49 瓦3)功率密度和97.7%的峰值效率(图3)。

　　图 3：Vicor 的总线转换器模块在宽低侧电流范围内表现出良好的效率(T箱 = 25°C)。(图片来源：维科)

　　BCM4414VH0E5035M02 采用 500 至 800 伏总线工作，低侧输出为 31.3 至 50.0 伏，最大连续功率输出为 1.5 kW。连续低侧电流、功率密度和峰值效率与其姊妹产品相同。BCM 采用 110.5 x 35.5 x 9.4 毫米 (mm) 外壳，重 145 克 (g)。

　　Vicor BCM 还提供灵活的热管理选项，具有极低的顶部和底部热阻抗。通过使用这些设备，电源系统设计人员能够减小系绳以及地面电源和无人机的尺寸和重量。

　　Vicor BCM 是直流到直流电源，因此初始三相 208 伏交流输入必须在图 2 中的第一个 BCM 之前转换为直流。适合交流整流的设备是 Vicor 交流输入模块 (AIM)，例如 AIM1714VB6MC7D5C00 (图 4。AIM器件可以接受85至264伏的交流输入，并提供整流交流输出，电流高达5.3 A，功率高达450瓦。

　　图 4：BCM 需要整流交流输入。Vicor的三相AIM模块等设备提供了一种解决方案。(图片来源：维科)

　　具有高功率密度和灵活性的降压调节

　　一旦地面站或无人机中的 BCM 将电压调节到 48 伏直流电，ZVS 降压转换器就需要进一步降低各种系统供电线路的电压。特别是在无人机中，降压转换器必须具有高功率密度和效率，以便它们形成紧凑轻便的电源。ZVS 降压稳压器非常适合这项任务。

　　传统稳压器 MOSFET 中的开关损耗是效率低下的关键因素，并对功率密度产生负面影响。ZVS 解决了这些损耗问题，对于使用相对高电压输入工作的降压转换器来说，这是一个特别的优势。

　　ZVS(也称为“软开关”)的机制很复杂，但最好定义为MOSFET导通时间内的传统脉宽调制(PWM)功率转换，但具有“谐振”开关转换。输出电压的调节是通过改变开关稳压器的转换频率来调节有效占空比(从而调整“导通”时间)来实现的。

　　在 ZVS 开关关断期间，稳压器的 L-C 电路谐振，使开关两端的电压从零遍历到峰值，然后在开关可以重新激活时再次下降到零。在此过程中，无论工作频率和输入电压如何，开关稳压器的MOSFET的转换损耗均为零，从而显著节省功耗，并大幅提高效率。(请参阅”零电压开关及其对电压调节的重要性综述".)

　　Vicor 生产一系列 ZVS 降压稳压器，集成了高密度 LGA、BGA 和系统级封装 (SiP) 器件中的控制电路、功率半导体和支持组件。开关稳压器补充了无人机配电电路其他部分使用的 BCM。ZVS 降压稳压器具有良好的功率密度和灵活性，可实现高效负载点 (PoL) DC-DC 稳压。它们可用于将其他无人机子系统的 48 伏总线有效地降压到 3.3、5 和 12 伏。

　　ZVS 降压稳压器的示例包括 PI352x-00 家庭。PI352x-00 稳压器只需要一个外部电感器、两个电压选择电阻器和最少数量的电容器即可构成一个完整的 DC-DC 开关模式降压稳压器。所有稳压器均采用 30 至 60 V 输入工作。该系列中有三种设备： 编号： PI3523-00，提供标称 3.3 伏输出(2.2 至 4 伏范围)和高达 22 A 的电流;这 PI3525-00，提供标称 5.0 伏输出(4 至 6.5 伏范围)和高达 20 A 的电流;和 编号： PI3526-00，提供标称 12 伏输出(6.5 至 14 伏范围)和高达 18 A 的电流。这些器件采用 LGA SiP 封装，尺寸为 10 x 14 x 2.56 mm。

　　将 ZVS 稳压器添加到功率密度网络中

　　需要一些设计工作来优化无人机配电网络中ZVS降压稳压器的性能。图 5 显示了 PI352x-00 系列每个成员所需的外部组件。

　　图 5：Vicor ZVS 降压稳压器需要一个外部电感器、一个用于设置输出电压的电阻分压器网络，以及用于滤波的电容器。(图片来源：维科)

　　每个器件都需要一个外部电感器。Vicor 计算了储能器件的电感值，以最大限度地提高效率。对于 PI3523 和 PI3525 稳压器，建议使用 230 纳亨利 (nH) 电感，而建议使用 480 nH 电感器与 P13526 配合使用。

　　虽然 PI352x-00 系列的每个成员都可以直接处理来自相应 BCM 的 48 伏直流输入(降压稳压器的输入范围为 30 至 60 伏直流)，但设置输出电压需要选择输出电阻(REA1 和 REA2)，它们共同构成电阻分压器网络。

　　无论输出电压如何，REA2都应设置为1 kΩ，以获得最佳抗噪性。REA1 的值可以通过以下公式计算：

　　除电感器值外，Vicor 还推荐了 C 的值在 和 C外 电容器，以确保功率级的正确启动和高频去耦。当主高侧 MOSFET 导通时，PI352x-00 系列从其低阻抗陶瓷电容器吸收几乎所有高频电流。然后，在MOSFET关断期间，从源极补充电容。表1列出了电容值以及产生的纹波电流和电压。

　　表 1：Vicor P1352x 输入和输出电容器在标称线路电压和标称调整下的建议值。(表源：维科)

　　为确保 PI352x-00 系列的最佳效率和低电磁干扰 (EMI)，最小的走线电阻和高电流环路回路以及适当的元件放置至关重要。图6显示了稳压器和外部元件的推荐布局。这是采用的布局 PI3526-00-EVAL1 PI352x-00 评估板。

　　图 6：Vicor ZVS 稳压器、电感器以及输入和输出电容器的最佳布局。(图片来源：维科)

　　图6中的蓝色环路表示输入和输出电容(和V)之间的紧密路径在 和 V外)，用于稳压器的高交流返回电流，这有助于提高效率。

　　结论

　　为了优化无人机的航程和负载能力，工程师们已经转向高压系绳。这些器件可最大限度地减少电缆中的功耗和压降。然而，高系线电压需要安全有效地调节到总线电压，然后进一步降低到无人机电子系统所需的电源电压。

　　Vicor 的高功率密度和高效 BCM 为降低和提升地面站、系绳和无人机之间的电压提供了易于实施的解决方案。BCM 由低开关损耗 ZVS 降压转换器补充，当总线电压降至无人机各种子系统所需的 3.3、5 和 12 伏时，可提供 97% 的效率。