無人機DC／DC電源的小型化設計

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1 引言

無人機機載DC／DC電源輸入機載蓄電池產生的直流電，經整流、濾波后得到滿足儀器要求的直流穩壓電源。據無人機電源行業專家中電華星的電源工程師介紹，無人機系統功能的不斷增強對其DC／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UL，CCEE等)及EMC指令的限制(如IEC，FCC，CSA)，直流輸人則必須加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。據此，中電華星的無人機電源團隊工程師依據開發經驗整理此文，供大家參考。

2 機載DC／DC電源的小型化途徑

2．1 優化PCB板的設計與製作

根據從原理圖到PCB板的沒計制定科學流程，如圖1所示。

進行電路板設計時一般有以下原則：

(1)濾波電容、電源開關或整流器、電感等應彼此相鄰地進行放置．調整元件位置使它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：設計電源開關電流迴路、沒計輸出整流器電流迴路、連接到直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、沒計輸出負載和輸出濾波器；

(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，去耦電容應盡量靠近器件的VCC，在高頻下工作的電路，要考慮元器件之問的分佈參數。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的內容包括沒計規則、層定義、線寬、間距、焊盤、過孔沒置，還要重點複查器件布局的合理性，電源、地線網路的走線，高速時鐘網絡的走線與屏蔽，去耦電容的擺放和連接等。

2．2 電源部件的選擇

無人機機載電源必須滿足抗惡劣環境的要求，例如必須適應-55～ +60℃的環境溫度和較寬的輸入電壓變化范同；還要耐振動、撞擊、抗電磁干擾等高可靠要求。因此，在分析和探討電源小型化的方案時。須考慮到工作在惡劣環境下仍然滿足各項電氣性能指標。

(1)採用集成度高、功率密度大的DC—DC變換器模塊

隨著功率電子學的興起與快速發展．DC．DC變換器集成電源模塊已被大量開發並投放市場。而且得到了越來越廣泛的應用．但各供應商生產的模塊電源，其工作頻率、變換效率各不相同，在輸出功率相同的情況下，體積、重量相差較大，同時應用環境也各不相同。因此，要想設計體積小、重量輕，又能適應惡劣環境下使用的電源部件，真正可選用的電源模塊並不多。只有國外幾種電源模塊可選用，如美同的VICOR，TI等。

(2)優先選用具有多路輸出電壓的電源模塊

單路電壓輸出與多路電壓輸出的電源模塊各有優缺點，前者只有一路電壓輸出，是直接受調控的，因而輸出的電壓精度高；後者輸出電壓好幾路．但只有主迴路輸出的電壓精度高，其餘的是間接受到控制，因而輸出電壓的精度比較低。由於多種電壓要由多塊單輸出模塊來實現，所以要比直接採用多路電壓輸出模塊體積大。為了減小體積和重量，在滿足技術要求的前提下，應優先選用多路電壓輸出的電源模塊。

(3)採用低壓差線性集成穩壓器作為二次穩壓

在普遍採用開關式集成穩壓模塊的情況下，線性集成穩壓器(特別是低壓差的線性集成穩壓器)仍然廣泛地被採用。

(4)必要的少量外同分立元器件也盡量採用體積小、重量輕的片式表面貼裝器件採用集成電源模塊組成的電源部件．仍有少量的分立元器件，如濾波用的電感器、X電容和Y電容器，以及調節電壓的電阻器等，也一律採用貼片式。

(5)電源部件所需的某些非標準輸出電壓。當無法從單塊電源模塊獲得時，可採用標準電壓輸出的小型電源模塊，進行互相串聯得到。

(6)當採用一家供應商不能滿足體積、重量要求時，可採用多家供應商提供的電源模塊進行組合設計。

(7)要減小整個電源的體積和重量．將電源模塊的基板貼在機箱的內壁利用金屬殼體散熱是非常必要的。

3 某機載電源的小型化設計

3．1 某機載設備對電源的技術要求(如表1所示)

3．2 根據技術要求確定電源部件的設計方案

根據陔電源部件輸出電壓種類多、給定的外形尺寸小，且輸入電壓變化池圍大、工作溫度範圍寬等特點，必須選用小型、高可靠的軍檔電源模塊。

(1)12 V(5 A)選用VICOR生產的單路輸出V24C12T100B電源模塊．該模塊輸出電壓為12 V(100 W)，工作溫度為-40～+100℃，外形尺寸為57．9 mm×36．8 mm×12．7 mm，其性能滿足沒計要求。

(2)5 V(6 A)選用ERICSSON生產的單路輸出PKM251 1EPI電源模塊，該模塊輸出電壓為5 V(10 A)，工作溫度為-40～+90。C，外形尺寸為57．9 mm×36．8 mm×8．5 mm，其性能滿足設計要求。

(3)+5 V(1 A)選用TI生產的FF6302N電源模塊，該模塊輸出電樂為5 V(3 A)，工作溫度為-40～+85℃．外形尺寸為42．5 mm×8．2 mm×15．9 mm．其性能滿足設計要求。

(4)+12 V(2 A)選用TI生產的PT6304N電源模塊，該模塊輸出電壓為12 V(3 A)。工作溫度為-40～+85℃．外形尺寸為42．5mm×8．2 mm×15．9 mm．其性能滿足沒計要求。

3．3 散熱與分立器件的處理

(1)由於各種電源模塊的厚度不一致，為了將模塊基板貼靠箱體散熱．在電源盒箱體的後壁作適當的結構處理，使不同高度的模塊基板都能緊靠盒體後壁，這樣，電源產生的熱量就通過很大的金屬接觸面直接傳送到盒體外。

(2)濾波電容採用CA45型等片式固體電解質鉭電容器．其外形最大尺寸為7．3mm×4．3mm×2．8mm，濾波電感採用了小型磁芯繞制的電感器。

(3)為滿足電磁兼容性要求，在28．5 V輸入端採用了TVS 瞬變電壓吸收二極體(1．5KE43A)和小型的抗干擾濾波器。

4 應用效果

據中電華星工程師介紹，該電源部件中的所有元器件全部組裝在100mm×100 mm 的板面內。元器件最大高度≤18 mm．質量≤250 g．電源經各項性能測試和高低溫實驗，並與全系統聯試，其各項技術性能均達到設計要求．滿足整機需要。更多電源解決方案詳詢中電華星。