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電源聯盟---高可靠電源行業第一自媒體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。