Hvordan man designer effektive modulære strømforsyningsnetværk til fastgjorte UAV'er

Ubemandede luftfartøjer (UAV'er) eller "droner" anvendes i stigende grad til tunge opgaver som f.eks. rekognoscering på jorden for militæret, brandbekæmpelse og landbrug. Disse og mange andre anvendelsesområder kræver, at dronen er i luften i lange perioder, så batterier er ikke en mulighed. I stedet forsynes dronen med strøm via et fastgjort kabel (tether) under hele flyvningen.

Fastgørelsesanordninger medfører imidlertid nye udfordringer. En tykkere tether giver lavere elektrisk modstand, men belaster dronen mere, hvilket begrænser dens bæreevne. Tynde tethers øger den elektriske modstand, hvilket medfører uacceptabel strømforbrug og spændingsfald over de typisk lange længder af drone-tethers. Ingeniørerne forsøger at overvinde tabene i forbindelse med tyndere kabler ved at øge spændingen i tetheret op til 800 volt. En sådan forøgelse bidrager til at sænke strømmen for et givet effektbehov.

Udfordringen bliver så at håndtere den høje spænding i dronen. Droneens strømfordelingsnetværk skal kunne modtage højspændingen og effektivt nedtrappe den til de lavere spændinger, som UAV-systemerne har brug for. Alle strømstyringsløsninger skal være lette og kompakte for at minimere påvirkningen af køretøjets bæreevne.

Denne artikel omhandler fordelene ved højspændingsforsyningssystemer til tetheret droner. Derefter forklares det, hvorfor højeffektive bus-konvertermoduler (BCM'er) med høj effekt og høj effekttæthed og ZVS-spændingkonvertere med nulspændingsswitching (ZVS) er en god mulighed ved udformning af strømfordelingsnetværk til tetheret UAV-applikationer. Eksempler på BCM'er og ZVS -konvertere fra Vicor præsenteres og bruges til at vise, hvordan man designer et let, men effektivt strømnetværk.

Højere spændinger muliggør lettere tethers

Fastgørelsesanordninger frigør designerne fra de begrænsninger, som batterier pålægger droner (figur 1). UAV'erne kan forblive i luften i lange perioder, forudsat at der er strømforsyning på jorden, hvilket gør det muligt for dem at fungere som observationsplatforme eller radiorelæer over horisonten. Ulempen er, at dronen skal hejse et potentielt tung tether op i luften, hvilket kan begrænse både dens aktionsradius og dens kapacitet til at bære nyttelast som f.eks. kameraer eller radioudstyr.

Figur 1: Droner kan holde sig oppe i luften i lange perioder ved hjælp af strøm via en tether. (Billedkilde: Vicor)

Kommercielle droner kræver flere DC-spændinger til deres forskellige systemer. F.eks. er 48 volt almindeligt for motorer, mens 12, 5 og 3,3 volt er typiske for sensorer, aktuatorer og styringselektronik. Tynde, lette tethers hjælper med at begrænse vægtbelastningen på dronen, men kablets højere modstand (modstanden stiger, når kabeltværsnittet falder) kan forårsage et uacceptabelt højt spændingsfald (defineret som et spændingsfald på mere end 3-5 % af kildespændingen i den fjerneste ende af en tether) og strømforbrug over lange tether-strækninger, når der anvendes en 48-volts forsyning.

Kablets spændingsfald og effektforbrug er proportionalt med den strøm, det transporterer, snarere end med spændingen. Så for eksempel vil en kommerciel drone, der kræver en konstant effekt på 1,5 kilowatt (kW), som drives via en 48-volt forsyning, kræve en strøm på 1500/48 = 31,25 ampere (A). Samme effekt kan leveres ved at øge spændingen, hvorved strømbehovet og dermed spændingsfaldet og strømforbruget reduceres. For eksempel kræver en 800-volt forsyning en strøm på kun 1500/800 = 1,9 A. En sådan forsyning gør det muligt for designeren at bruge et letvægtskabel på en sikker måde.

Et strømforsyningsnetværk til en drone

For at kunne udnytte højere spændinger og lettere tethers skal ingeniørerne designe strømfordelingsnetværk, der sikkert og effektivt kan nedtrappe de høje spændinger, der transporteres i tetheret, til de arbejdsspændinger, der er nødvendige for dronens systemer.

Figur 2 viser et eksempel på et sådant net. Dette netværk er opbygget ved hjælp af BCM'er og ZVS buck-konvertere fra Vicor.

Figur 2: Et strømfordelingsnetværk til en tetheret drone. Bemærk, hvordan den 48-volts bus, der bruges til jordbaserede systemer, forstærkes til 800 volt i tetheret og derefter reduceres tilbage til 48 volt ved dronen. (Billedkilde: Vicor)

I dette eksempel konverterer en BCM den trefasede 208-volts AC til 48 volt DC til dronens jordbaserede computersystemer. ZVS buck-konvertere reducerer 48-voltsforsyningen til 12, 5 og 3,3 volt, der anvendes af de enkelte jordbaserede enheder. Den 48-volts DC-forsyning optrappes derefter af en anden BCM til 800 volt for at minimere spændingsfald og strømtab i tetheren.

Ved drone reducerer en tredje BCM derefter spændingen tilbage til 48 volt. Strømfordelingsnettet i dronen omfatter yderligere buck-konverterere til at forsyne kameraer, sensorer og logiske enheder med passende spændinger.

De foreslåede BCM'er til denne applikation er Vicors BCM4414VD1E5135C02 til den indledende 208 volt AC til 48 volt DC-konvertering og BCM4414VH0E5035M02 til 48 volt DC til 800 volt DC og returkonvertering.

BCM4414VD1E5135C02 fungerer fra en bus på 260 til 400 volt og tilbyder en lav-side-udgang på 32,5 til 51,3 volt. Enheden har op til 35 A kontinuerlig strøm på den lave side, op til 49 watt pr. kubikcentimeter (^W/cm3) effekttæthed og 97,7 procent spidseffektivitet (figur 3).

Figur 3: Vicors buskonvertermoduler udviser god effektivitet over et bredt lav-side strømområde (T_CASE = 25˚C). (Billedkilde: Vicor)

BCM4414VH0E5035M02 fungerer fra en bus på 500 til 800 volt og tilbyder en lav-side-udgang på 31,3 til 50,0 volt med en maksimal kontinuerlig udgangseffekt på 1,5 kW. Kontinuerlig strøm på lav side, effekttæthed og maksimal effektivitet er identiske med søsterproduktet. BCM har et kabinet på 110,5 x 35,5 x 9,4 mm og vejer 145 g.

Vicor BCM'erne tilbyder også fleksible muligheder for termisk styring med meget lave termiske impedanser på top- og undersiden. Ved at bruge disse enheder kan designeren af et strømforsyningssystem reducere størrelsen og vægten af tetheren samt jordforsyningen og dronen.

Vicor BCM'erne er DC/DC-strømforsyninger, så den oprindelige trefasede 208-volts AC-indgang skal konverteres til DC før den første BCM i figur 2. En passende enhed til AC-ligningen er et Vicor AC-indgangsmodul (AIM) som f.eks. AIM1714VB6MC7D5C00 (Figur 4.) AIM-enheden kan modtage en AC-indgang på 85-264 volt og levere en ensrettet AC-udgang med en strømstyrke på op til 5,3 A og en effekt på op til 450 watt.

Figur 4: BCM kræver en ensrettet AC-indgang. En enhed som Vicors trefasede AIM-modul er en løsning. (Billedkilde: Vicor))

Buck-regulering med høj effekttæthed og fleksibilitet

Når BCM'en i jordstationen eller dronen har reguleret spændingen til 48 volt DC, er der brug for ZVS-buck-konvertere til at nedtrappe spændingen yderligere til forsyningsledninger til de forskellige systemer. Især i droner skal buck-konverterne have en høj effekttæthed og være effektive, så de udgør en kompakt og let strømforsyning. ZVS- buck-regulatorer er velegnede til denne opgave.

Skiftetab i konventionelle spændingsregulerings-MOSFET'er er en vigtig kilde til ineffektivitet og har en negativ indvirkning på effekttætheden. ZVS tager højde for disse tab og er en særlig fordel for buck-konvertere, der arbejder med en relativt høj indgangsspænding.

Mekanismen for ZVS (også kendt som "soft switching") er kompleks, men kan bedst defineres som konventionel pulse-width modulation (PWM) strømkonvertering under MOSFET'ens tændtid, men med "resonante" switchingovergange. Regulering af udgangsspændingen opnås ved at justere den effektive duty cycle (og dermed "on"-tiden) ved at variere switchingregulatorens konverteringsfrekvens.

I ZVS-afbryderens slukketid resonerer regulatorens L-C-kredsløb, hvorved spændingen over afbryderen går fra nul til dens spidsværdi og ned igen til nul, når afbryderen kan aktiveres igen. I processen er switching regulatorens MOSFET'ernes overgangstab nul - uanset driftsfrekvens og indgangsspænding - hvilket giver betydelige energibesparelser og en væsentlig forbedring af effektiviteten. (Se "A Review of Zero-Voltage Switching and its Importance to Voltage Regulation".)

Vicor producerer en række ZVS-buck-regulatorer integreret med kontrolkredsløb, effekthalvledere og støttekomponenter i LGA-, BGA- og SiP-enheder (system in package) med høj tæthed. De switchende spændingsregulatorer supplerer BCM'erne, der anvendes i andre dele af dronens strømfordelingskredsløb. ZVS-buck-regulatorer tilbyder god effekttæthed og fleksibilitet til højeffektiv point-of-load (PoL)-DC/DC-regulering. De kan bruges til effektivt at nedtrappe 48-voltsbussen til 3,3, 5 og 12 volt til de andre droneundersystemer.

Som eksempler på ZVS-buck-regulatorer kan nævnes PI352x-00-familien. PI352x-00-regulatorerne kræver kun en ekstern induktor, to spændingsvalgsmodstande og et minimalt antal kondensatorer for at danne en komplet DC/DC switch-mode buck-regulator. Alle regulatorer fungerer med en indgang på 30 til 60 volt. Der er tre enheder i familien: PI3523-00, som giver en nominel udgang på 3,3 volt (2,2 til 4 volt) og op til 22 A; PI3525-00, som giver en nominel udgang på 5,0 volt (4 til 6,5 volt) og op til 20 A; og PI3526-00, som giver en nominel udgang på 12 volt (6,5 til 14 volt) og op til 18 A. Enhederne leveres i et LGA SiP-format, der måler 10 x 14 x 2,56 mm.

Tilføjelse af ZVS-regulatorer til netværket med høj effekttæthed

Der er behov for en del designarbejde for at optimere ZVS-buck-regulatorernes ydeevne i drone-strømfordelingsnettet. Figur 5 viser de eksterne komponenter, der kræves for hvert medlem af PI352x-00-familien.

Figur 5: Vicor ZVS-buck-regulatoren kræver en ekstern induktor, et modstandsdeler-netværk til at indstille udgangsspændingen samt kondensatorer til filtrering. (Billedkilde: Vicor)

Enhederne kræver hver især en ekstern induktor. Vicor har beregnet induktansværdien for energilagringsenheden for at maksimere effektiviteten. Til PI3523- og PI3525-regulatorerne anbefales en 230 nanohenry (nH)-induktor, mens en 480 nH-induktor anbefales til brug med P13526.

Mens hvert medlem af PI352x-00-familien direkte kan håndtere 48-volts DC-indgangen fra den respektive BCM (indgangsområdet for buck-regulatorer er 30 til 60 volt DC), kræver indstilling af udgangsspændingen valg af udgangsmodstande - REA1 og REA2 - der sammen udgør et modstandsdeler-netværk.

Uanset udgangsspændingen skal REA2 indstilles til 1 kΩ for at opnå den bedste støjimmunitet. Værdien af REA1 kan derefter beregnes ved hjælp af følgende formel:

Ud over induktorværdierne anbefaler Vicor også værdier for C_IN og C_OUT-kondensatorerne for at sikre korrekt opstart og højfrekvensafkobling for effekttrinnet. PI352x-00-familien trækker næsten al højfrekvensstrømmen fra de lavimpedante keramiske kondensatorer, når de vigtigste high-side MOSFET'er er ledende. I den tid, hvor MOSFET'erne er slukket, fyldes kondensatorerne op fra kilden. Tabel 1 viser kondensatorværdierne og de resulterende rippel-strømme og -spændinger.

Tabel 1: Anbefalede værdier for Vicor P1352x ind- og udgangskondensatorer ved nominel netspænding og nominel trimning. (Kilde til tabellen: Vicor)

For at sikre optimal effektivitet og lav elektromagnetisk interferens (EMI) med PI352x-00-familien er det vigtigt at sikre minimal spormodstand og højstrømsloopretur samt korrekt placering af komponenterne. Figur 6 viser det anbefalede layout for regulatoren og de eksterne komponenter. Dette er det layout, der anvendes af PI3526-00-EVAL1 PI352x-00 evalueringskortet.

Figur 6: Optimalt layout for Vicor ZVS-regulatoren, induktor og ind- og udgangskondensatorer. (Billedkilde: Vicor)

Den blå sløjfe i figur 6 viser den tætte sti mellem ind- og udgangskondensatorerne (og V_IN og V_OUT) for regulatorens høje AC-returstrøm, hvilket fremmer effektiviteten.

Konklusion

For at optimere dronernes rækkevidde og belastningskapacitet har ingeniører vendt sig mod højspændingstethere. Disse minimerer strømforbruget og spændingsfaldet i tetheren. De høje spændinger i bundet skal imidlertid reguleres sikkert og effektivt til bus-spændinger og derefter reduceres yderligere til de forsyningsspændinger, som dronens elektroniske systemer har brug for.

BCM'er fra Vicor med høj effekttæthed og effektivitet giver en let implementerbar løsning til at reducere og øge spændingerne mellem jordstationen, tether og dronen. BCM'erne suppleres af ZVS-buck-konvertere med lavt koblingstab, som har en effektivitet på 97 % ved nedtrapning af busspændingen til de 3,3, 5 og 12 volt, der er nødvendige for dronens forskellige undersystemer.