無人機AC／DC電源的小型化設計

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1、引言

無人機機載AC／DC電源輸入發電機產生的交流電，經整流、濾波后得到滿足儀器要求的直流電。無人機系統功能的不斷增強對其AC／DC電源也提出了向輕、小、薄、低雜訊、高可靠、抗干擾發展的要求，而在該電源系統中，體積相對較大的濾波電容器是必不可少的，同時因遇到安全標準(如UI ，CCEE等)及EMC指令的限制(如IEC，FCC，CSA)，交流輸入側必須加EMC濾波及使用符合安全標準的元件，這樣就更加限制了電源體積的小型化。

另外，由於內部的高頻、高壓、大電流開關動作，使得解決EMC電磁兼容問題難度加大，同時電源的工作消耗增大，也限制了AC／DC變換器模塊化的進程．必須採用系統優化設計方法才能滿足小型化的實際需要。

2 設計的主要目標分析

電源功效必須儘可能的高 雖然在實際應用中最耗能的是微處理器，但是技術的進步仍然要求電源進一步提高功效。功效越高所需的散熱片就越小，才能節省系統空問。

電源成本必須儘可能的低 無論是原材料成本還是製造複雜性方面。考慮功能的簡單設計是重要因素。控制和報警信號、和同類設備的均流以及在各種交流輸入情況下保持穩定性能等都是非常重要的。

由圖1所示的AC／DC電源電路結構框圖可以看出，要在保證性能和功能的前提下將電源的大小和成本最小化至少應從以下幾個方面人手。

2．1 使用兩階式輸入濾波器

使用一個兩階式濾波器可以使電源外形最小化。並實現高共模和微分降噪。如果垂直堆疊組件，則可以節省板空間，同時改進了冷卻。

2．2 在功率因數校正電路(PFC)中考慮採用碳化硅二極體

由於碳化硅二極體的成本有所下降．可以將其作為降低成本和電源大小的一個途徑。碳化硅二極體的反向電流特性使系統可以不需要緩衝電路，因此可以節省5～6個組件。同時由於碳化硅二極體的應用，功效可提高1%。若使用階梯感應器，則可在高輸入線時提供高感應，在低輸入線時支持最可能大的流量密度。在輸入範圍中使用連續感應模式(CCM)操作，可以保持最小的峰值轉換電流和輸入濾波器要求。

2．3 在主變流器中採用新型材料建構諧振拓撲

在該電路中使用諧振拓撲可以基本消除開關損耗。在功率晶體管中以陶瓷基片代替金屬基片可以減少噪音，並因此簡化濾波過程。這是因為散熱片沒有與開關M0SFETS的損耗相耦合的電容。這樣不僅提高電源效率，而且使電源可以使用更小的散熱片。另外，使用陶瓷散熱片時的爬電距離比金屬散熱片所需的距離要短，這就進一步節省PCB板的空問。

2．4 使用開關式MOSFETS代替傳統的輸出整流器

開關式MSFETS同步整流可以極大地降低功耗。從而提高功效。比如，一個正向電壓為0．5 V的二極體在20 A時的功耗為10 w。而如果使用一個開啟時電阻為14 MΩ的M0SFET，功耗最大隻有5．6 W ，與二極體的功耗相比小44%。這裡也可以用陶瓷陶瓷基片來代替傳統的散熱片。

2．5 採用集成化的控制電路

集成化控制電路可以減少組件數量、降低製造成本並節省PCB板空間，因此，即使集成電路本身比離散組件更昂貴，從衡量電源的體積大小以及整體性能上來考慮，運用集成電路也是合理的。例如IR1150這種PFC晶元作為單循環控制(OCC)設備使用，就可以在保持電源系統性能的同時大大減少元組件數量。

同樣，可以通過特殊應用晶元來進行主轉換器電壓控制、過電流保護、過電壓保護和過溫度保護，並控制輸出整流器轉換。另外，還可以通過同步單啟動分源、藉助邏輯控制關閉電源的抑制電路、「電源狀態良好」信號、備用轉換器控制功能等控制渠道來提高應用的靈活性。當交流電源存在時，備用轉換器可以單獨提供5 V的輸出。

3 優化PCB板的設計與製作

根據從原理圖到PCB板的設計制定科學流程，如圖2所示。

需要注意如下事項：

(1)濾波電容、電源開關或整流器、電感或變壓器應彼此相鄰地進行放置，調整元件位置使他們之間的電流路徑儘可能短。

(2)建立開關電源布局應按照如下的流程：放置變壓器、設計電源開關電流迴路、設計輸出整流器電流迴路、連接到交流電源電路的控制電路、設計輸入電流源迴路和輸入濾波器、設計輸出負載迴路和輸出濾波器。

(3)根據電路的功能單元，對電路的全部元器件進行布局要考慮PCB尺寸大小，放置器件時要考慮焊接；以每個功能電路的核心元件為中心進行布局。

(4)元器件均勻、整齊、緊湊地排列在PCB上，盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接，去耦電容盡量靠近器件的VCC。在高頻下工作的電路，要考慮元器件之間的分佈參數。一般電路應儘可能地使元器件平行排列，美觀且易焊裝。

(5)按照電路的流程安排各個功能電路單元的位置，使布局便於信號流通，並且使信號儘可能保持方向一致。布局的首要原則是保證布線的布通率，移動器件時注意飛線的連接，把有連線關係的器件放在一起。儘可能地減小環路面積以抑制開關電源的輻射干擾。

(6)複查PCB的內容包括設計規則、層定義、線寬、間距、焊盤、過孔設置，還要重點複查器件布局的合理性，電源、地線網路的走線，高速時鐘網路的走線與屏蔽，去耦電容的擺放和連接等。通過上述系統層面上的分析，立足於現有技術，在最大可能的程度上縮小了AC／DC電源的體積，同時保持了電源的製造成本。如要繼續取得突破，則須在基礎電子元件的研發上下功夫。