【導讀】無人機是一種無人駕駛的航空器，可以由人類操作員遠程控制，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，其潛在的巨大價值也正在釋放出來。
無人機是一種無人駕駛的航空器，可以由人類操作員遠程控制，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，其潛在的巨大價值也正在釋放出來。
根據Mordor Intelligence的研究報告，全球無人機市場規模預計在2024年為352.8億美元，到2029年將增長至676.4億美元，這期間的復合年增長率高達13.9%。
雖然無人機起步于軍用領域，不過其高速而持續的市場增長，主要得益于無人機在民用市場的開疆擴土，在建筑、農業、能源、娛樂、執法、消防、航空測繪等領域，無人機的滲透力越來越大，并正在定義一個區別于傳統航空業的全新的“低空經濟”。以中國為例，按照工業和信息化部等四部門的規劃，到2030年，通用航空裝備（以無人機為主導）與各個行業融合而推動的低空經濟，將形成萬億級的市場規模。
圖1：快速興起的無人機應用（圖源：Vicor）
不過，如果你置身于這個新興行業，在為樂觀的市場預期而歡欣鼓舞的同時，也一定會感受到，這種增長預期正在受到傳統技術的限制和阻礙——想要讓無人機經受得住市場和用戶的考驗，就需要實現更大的有效載荷能力、更長的飛行時間（更遠的航程），而傳統技術顯然不具備這種能力，這時就需要新的技術和解決方案來提供“動力”。
其實，人們對新技術的期待說起來也簡單：考慮到載荷和航程都與自重相關，誰能夠在確保所需性能和功能的前提下，實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，也影響到無人機設計開發的方方面面。
無人機PDN輕量化設計的挑戰
眾所周知，目前主流無人機的動力都來自于電能，同時，無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，這就決定了供電網絡（PDN）是必不可少的一環。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，也就成為了無人機設計中一個重要命題，這也是提升無人機有效載荷和航程的一個關鍵抓手。
無人機PDN輕量化的要求，可以被分解為三個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。同時，考慮到無人機總功率會不斷增加（基于不斷增長的動力和功能性需求），電源管理組件的功率密度也要增加，這就十分考驗相關產品的設計能力了。
高效率：在恒定的功率輸出下，效率越高，則意味著傳輸和轉換過程中無謂的能耗更少，自然有利于提高無人機的續航能力。同時，高效率也有助于簡化散熱系統，避免使用笨重的散熱組件，為無人機“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行轉換，而后將電能配送至各個用電負載，因此寬輸入范圍也是一個重要的設計考量。此外，方案也需要具備可擴展性，比如隨無人機電源需求的增加，通過簡單的并聯即可輕松進行電源擴展。
想要實現上述的目標，需要在深入理解無人機應用需求的基礎上，從系統架構到每個電源管理節點上的模塊/器件，做全面的優化，以形成理想的解決方案。在這方面，Vicor就是個中高手。
圖2：Vicor無人機PDN解決方案（圖源：Vicor）
在系統架構上，Vicor將無人機PDN解決方案分為兩級：第一級是將高壓電池輸出的母線電壓降壓轉換為一個中間母線電壓（比如圖2所示 ，從800V轉換為40V），這通常是通過一個固定比率母線轉換器來完成；第二級則是使用低電壓DC-DC轉換器，將中間母線電壓降至通用的28V電壓。實踐證明，這樣的架構，不僅可優化效率和功率密度，而且還有利于簡化熱管理，應該是更優的選擇。
從器件層面來看，Vicor在每個電源轉換節點上，都采用了其開發的高效、高功率密度的電源模塊。每個電源模塊都是將數百個電子元器件集成在一個緊湊的封裝中，根據需要提供隔離、穩壓、轉換和變壓等功能，且每個電源模塊都經過了測試，即插即用，大大簡化了系統開發的工作。
圖3：Vicor電源模塊優勢特性（圖源：Vicor）
歸納起來，在無人機應用中，Vicor這種基于電源模塊的PDN解決方案，可以帶來三大優勢：
高度集成，結構緊湊，重量輕，支持更大的功率密度。
高效率簡化了散熱系統，優化了整個系統的熱管理。
經過測試的電源模塊，便于在系統中應用集成，無需重復測試和確認設計，加速開發進程。
有了優化的系統架構，加上Vicor豐富的電源模塊產品組合，這就構成了一個完整的開發平臺，無論是哪種無人機的PDN應用，都可以在其中快速找到對應的解決方案。
理想的母線轉換器模塊
在Vicor的無人機PDN解決方案中，作為第一級的母線轉換器是關鍵的第一步。為此，Vicor提供了BCM??母線轉換器模塊，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母線轉換器模塊（圖源：Vicor）
BCM模塊本質上是一個非常小的高頻DC-DC“變壓器”，按照固定比例（K值）進行電壓轉換。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，對于簡化系統、實現小型化和輕量化、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值的產品，以適應不同應用所需。同時，BCM系列利用Vicor諧振正弦振幅轉換器（SAC）拓撲，利用高頻零電壓開關（ZVS）和零電流開關（ZCS）實現了出色的高效率和功率密度，同時具有低噪聲和快速瞬態響應。
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到更高功率的陣列中；BCM也可通過串聯實現更高的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行了優化，而且有些模塊還集成了PMBus通信和EMI濾波，以滿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、大功率的無人機應用中，確立了獨特的價值優勢。
賦能輕量化無人機PDN應用
BCM模塊在無人機領域的一個典型應用，就是通信無人機的PDN設計。
通信無人機的特點是利用太陽能作為能量源，來滿足其長時間飛行的需求，為特定場景提供無線通信連接服務。太陽能電源系統使用極大功率點跟蹤 (MPPT) 電路確保太陽能的采集和轉換，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換為48V的中間母線電壓，或者可以作為二級電池的充電電壓。
圖5：通信無人機利用太陽能作為能量源（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，將中間母線電壓轉換為嚴格穩壓的28V輸出，為各個無人機負載供電。
圖6：面向通信無人機的PDN解決方案（圖源：Vicor）
該方案中用到的BCM6123是BCM系列的主打產品之一，是一款基于ChiP封裝的母線轉換器模塊，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%。其同樣可以通過并聯輸入和輸出實現高功率陣列。同時，BCM6123還具有數字PMBus通信功能，可在系統設計中實現控制和遙測功能。
圖7：BCM6123 ChiP母線轉換器模塊（圖源：Vicor）
可以說，BCM6123模塊能夠滿足通信無人機對于高效、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的無人機PDN解決方案集（圖源：Vicor）
本文小結
無人機技術正在迅猛發展，隨著產品的迭代升級，其對電能需求也越來越大。簡單地讓無人機“背”上容量更大的電池、增大輸出功率，顯然會犧牲掉更為關鍵的有效載荷和續航能力，這是不能接受的。而傳統的無人機動力系統，缺乏高功率密度、高效率、輕量級的解決方案，來滿足新型無人機的新需求。
為了應對這一挑戰，Vicor提出了一個創新的思路：打造一個基于模塊化電源產品的為無人機專門優化的PDN，提高效率、可靠性、減輕重量和尺寸，以實現更大的航程和飛行時間。這應該就是無人機電源系統設計這道難題的正確答案。
文章來源：貿澤電子
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