Projektowanie sprawnych, modułowych sieci zasilających do przewodowych bezzałogowych statków powietrznych (UAV)

Bezzałogowe statki powietrzne (UAV), zwane dronami, są coraz częściej wykorzystywane do trudnych zastosowań, takich jak rozpoznanie terenu w wojskowości, gaszenie pożarów i rolnictwo. Te i wiele innych przypadków użycia wymaga, aby dron był w powietrzu przez długi czas, więc baterie nie są rozwiązaniem. Zamiast tego dron w czasie lotu jest zasilany przez kabel systemu uwięzi.

Jednak systemy uwięzi wprowadzają nowe wyzwania. Grubsza uwięź zapewnia niższy opór elektryczny, ale bardziej obciąża drona, ograniczając jego nośność. Cienkie kable zwiększają opór elektryczny, powodując nieakceptowalne straty mocy i spadek napięcia na typowo długich odcinkach uwięzi dronów. Inżynierowie dążą do obniżenia strat związanych z cieńszymi kablami poprzez zwiększenie napięcia w systemie uwięzi do 800V. Takie zwiększenie pomaga obniżyć prąd dla danego zapotrzebowania na moc.

Wyzwaniem staje się wtedy obsługa wysokiego napięcia w dronie. Sieć rozdziału zasilania drona musi być zdolna do przyjęcia wysokiego napięcia i skutecznego obniżenia go do niższych napięć wymaganych przez systemy bezzałogowego statku powietrznego (UAV). Wszelkie rozwiązania zarządzania zasilaniem muszą być lekkie i kompaktowe, aby zminimalizować wpływ na udźwig statku powietrznego.

W artykule omówiono korzyści płynące z zastosowania wysokonapięciowych systemów zasilania w dronach przewodowych. Następnie wyjaśniono, dlaczego wysokosprawne moduły przetwornic magistrali (BCM) o wysokiej gęstości mocy oraz przetwornice obniżające napięcie przełączające przy zerowym napięciu (ZVS) są dobrymi rozwiązaniami przy projektowaniu sieci rozdziału zasilania do stosowania w przewodowych, bezzałogowych statkach powietrznych (UAV). Artykuł przedstawia moduły przetwornic magistrali (BCM) i przetwornice obniżające z przełączaniem przy zerowym napięciu (ZVS) firmy Vicor, używając ich jako przykładów projektowania lekkiej i sprawnej sieci zasilającej.

Wyższe napięcia umożliwiają zastosowanie lżejszych kabli

Systemy uwięzi uwalniają projektantów od ograniczeń, jakie są nakładane na drony przez baterie (ilustracja 1). Bezzałogowe statki powietrzne (UAV) mogą pozostawać w powietrzu przez długi czas, przy założeniu, że dostępne jest zasilanie naziemne, co pozwala im działać w takich zastosowaniach, jak platformy obserwacyjne lub przekaźniki radiowe o zasięgu poza horyzont. Wadą tego rozwiązania jest to, że dron musi dźwigać potencjalnie ciężki kabel, co może ograniczać zarówno jego zasięg operacyjny, jak i nośność dla ładunków takich jak kamery czy sprzęt radiowy.

Ilustracja 1: drony mogą pozostawać w powietrzu przez długi czas, korzystając z zasilania dostarczanego przez system uwięzi. (Źródło ilustracji: Vicor)

Komercyjne drony wymagają kilku napięć prądu stałego dla poszczególnych systemów. Na przykład 48V jest typowe dla silników, natomiast 12, 5 i 3,3V są typowe dla czujników, aktuatorów i elektroniki sterującej. Cienkie, lekkie uwięzi pomagają ograniczyć obciążenie drona, ale większa rezystancja kabla (rezystancja wzrasta wraz ze zmniejszeniem przekroju poprzecznego kabla) może powodować niedopuszczalnie duży spadek napięcia (definiowany jako spadek napięcia większy niż 3 do 5 procent napięcia źródłowego na drugim końcu kabla) i straty mocy na długich odcinkach kabla w przypadku korzystania z zasilania 48V.

Spadek napięcia w kablu i straty mocy są proporcjonalne do przewodzonego prądu, a nie do napięcia. Na przykład komercyjny dron, który wymaga stałej mocy 1,5kW zapewnianej przez zasilanie 48V, będzie wymagał prądu 1500/48 = 31,25A. Identyczną moc można zapewnić poprzez zwiększenie napięcia, co obniża zapotrzebowanie na prąd, a w konsekwencji spadek napięcia i straty mocy. Przykładowo, zastosowanie zasilania 800V wymaga prądu o natężeniu zaledwie 1500/800 = 1,9A. Takie zasilanie pozwala projektantowi na bezpieczne zastosowanie lekkiego kabla.

Sieć zasilająca drona

Aby wykorzystać wyższe napięcie zasilania i lżejsze uwięzi, inżynierowie muszą zaprojektować sieci rozdziału zasilania, które mogą bezpiecznie i skutecznie obniżać wysokie napięcie przenoszone przez uwięź do napięcia roboczego potrzebnego dla systemów drona.

Ilustracja 2 przedstawia przykład takiej sieci. Sieć ta zbudowana jest z wykorzystaniem modułów BCM i przetwornic obniżających z przełączaniem przy zerowym napięciu (ZVS) firmy Vicor.

Ilustracja 2: sieć rozdziału zasilania drona przewodowego. Warto zwrócić uwagę, w jaki sposób napięcie 48V magistrali w systemach naziemnych zostaje podwyższone do 800V w uwięzi, a następnie obniżone z powrotem do 48V w dronie. (Źródło ilustracji: Vicor)

W tym przykładzie moduł BCM przekształca trójfazowe zasilanie 208V~ na 48V= dla naziemnych systemów komputerowych drona. Przetwornice obniżające z przełączaniem przy zerowym napięciu (ZVS) obniżają napięcie 48V do poziomu 12, 5 i 3,3V używanego przez poszczególne urządzenia naziemne. Zasilanie 48V= jest następnie podwyższane przez drugi moduł BCM do 800V, aby zminimalizować spadek napięcia i straty mocy w uwięzi.

W dronie trzeci moduł BCM obniża następnie napięcie z powrotem do 48V. Sieć rozdziału zasilania w dronie zawiera kolejne przetwornice obniżające niezbędne do zasilania kamer, czujników i urządzeń logicznych odpowiednimi napięciami.

Sugerowane moduły BCM do tego zastosowania to BCM4414VD1E5135C02 firmy Vicor służący do początkowej konwersji 208V~ na 48V= oraz BCM4414VH0E5035M02 do konwersji 48V= na 800V= i z powrotem.

Urządzenie BCM4414VD1E5135C02 jest zasilane magistralą o napięciu od 260 do 400V i zapewnia wyjście po stronie niskiego napięcia od 32,5 do 51,3V. Urządzenie zapewnia maksymalnie 35A prądu ciągłego po stronie niskiego napięcia, gęstość mocy do 49W/cm³ oraz sprawność szczytową 97,7% (ilustracja 3).

Ilustracja 3: moduły przetwornic magistrali (BCM) firmy Vicor charakteryzują się wysoką sprawnością w szerokim zakresie prądów po stronie niskiego napięcia (T_CASE = 25˚C). (Źródło ilustracji: Vicor)

Urządzenia BCM4414VH0E5035M02 są zasilane z magistrali o napięciu od 500 do 800V i po stronie niskiego napięcia zapewniają wyjście od 31,3 do 50,0V oraz maksymalną moc ciągłą 1,5kW. Prąd ciągły po stronie niskiego napięcia, gęstość mocy i sprawność szczytowa są takie same, jak w przypadku bliźniaczego produktu. Moduł BCM mieści się w obudowie o wymiarach 110,5 x 35,5 x 9,4mm i waży 145g.

Moduły BCM firmy Vicor oferują również elastyczne opcje odprowadzania ciepła o bardzo niskich impedancjach cieplnych po stronie górnej i dolnej. Dzięki zastosowaniu tych urządzeń projektanci systemów zasilania są w stanie zmniejszyć rozmiary i ciężar uwięzi, a także zasilania naziemnego i drona.

Moduły BCM firmy Vicor są zasilaczami prądu stałego, dlatego początkowy wejściowy prąd trójfazowy 208V~ musi zostać przekształcony na prąd stały przed pierwszym modułem BCM przedstawionym na ilustracji 2. Odpowiednim urządzeniem do prostowania prądu zmiennego jest moduł wejściowy prądu zmiennego (AIM) firmy Vicor, taki jak AIM1714VB6MC7D5C00 (Ilustracja 4). Moduł AIM może przyjmować na wejściu prąd zmienny o napięciu od 85 do 264V i zapewnia wyprostowany wyjściowy prąd stały o natężeniu do 5,3A i mocy do 450W.

Ilustracja 4: moduł BCM wymaga zasilania wyprostowanym wejściowym prądem zmiennym. Rozwiązaniem może być na przykład trójfazowy moduł AIM firmy Vicor. (Źródło ilustracji: Vicor)

Regulacja obniżająca o dużej gęstości mocy i elastyczności

Gdy moduł BCM w stacji naziemnej lub dronie wyreguluje napięcie do wartości 48V=, wymagane są przetwornice obniżające z przełączaniem przy zerowym napięciu (ZVS) w celu dalszego obniżenia napięcia dla linii zasilających różne systemy. Szczególnie w dronie przetwornice obniżające muszą charakteryzować się dużą gęstością mocy i być na tyle wydajne, aby tworzyć kompaktowe i lekkie zasilacze. Regulatory obniżające z przełączaniem przy zerowym napięciu (ZVS) dobrze nadają się do tego zadania.

Straty przełączania w konwencjonalnych tranzystorach MOSFET regulatorów napięcia są kluczowym źródłem niższej sprawności i mają negatywny wpływ na gęstość mocy. Przełączanie przy zerowym napięciu (ZVS) rozwiązuje problem tych strat i jest szczególnie korzystne w przypadku przetwornic obniżających pracujących przy stosunkowo wysokim napięciu wejściowym.

Mechanizm przełączania przy zerowym napięciu (ZVS, znany również jako „przełączanie miękkie”) jest złożony, ale najlepiej można go zdefiniować jako konwencjonalną konwersję mocy z modulacją szerokości impulsu (PWM) podczas czasu włączenia tranzystora MOSFET, ale z „rezonansowymi” przejściami przełączającymi. Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje się przez dostosowanie efektywnego cyklu roboczego (a więc czasu „włączenia”) poprzez zmianę częstotliwości konwersji regulatora przełączającego.

W czasie wyłączenia układu przełączania przy zerowym napięciu (ZVS) obwód L-C regulatora wpada w rezonans, obniżając napięcie na przełączniku od zera do wartości szczytowej i ponownie w dół do zera, gdy przełącznik może być ponownie aktywowany. W tym procesie straty przejściowe tranzystorów MOSFET regulatora są zerowe - niezależnie od częstotliwości pracy i napięcia wejściowego - co daje znaczne oszczędności mocy i znaczną poprawę sprawności. (Patrz „Analiza przełączania przy napięciu zerowym i jego znaczenia dla regulacji napięcia”.)

Firma Vicor produkuje szereg regulatorów obniżających z przełączaniem przy zerowym napięciu (ZVS) zintegrowanych z obwodami sterowania, półprzewodnikami obwodów zasilania i komponentami pomocniczymi w obudowach LGA, BGA i urządzeniach typu „system in package” (SiP) o dużej gęstości. Przełączające regulatory napięcia uzupełniają moduły BCM stosowane w innych częściach obwodu rozdziału zasilania drona. Regulatory obniżające z przełączaniem przy zerowym napięciu (ZVS) oferują dobrą gęstość mocy i elastyczność wysokosprawnej regulacji prądu stałego w punkcie obciążenia (PoL). Można je wykorzystać do sprawnego obniżania napięcia 48V do 3,3, 5 i 12V dla innych podsystemów drona.

Przykłady regulatorów obniżających z przełączaniem przy zerowym napięciu (ZVS) obejmują grupę PI352x-00. Do stworzenia kompletnego impulsowego regulatora obniżającego prądu stałego, regulatory PI352x-00 wymagają jedynie zewnętrznej cewki indukcyjnej, dwóch rezystorów selekcji napięcia i minimalnej liczby kondensatorów. Wszystkie wspomniane regulatory pracują przy napięciu wejściowym od 30 do 60V. W grupie tej znajdują się trzy urządzenia: PI3523-00 - zapewniające nominalne napięcie wyjściowe 3,3V (zakres od 2,2 do 4V) i natężenie prądu do 22A, PI3525-00 - zapewniające nominalne napięcie wyjściowe 5,0V (zakres od 4 do 6,5V) i natężenie prądu do 20A oraz PI3526-00 - zapewniające nominalne napięcie wyjściowe 12V (zakres od 6,5 do 14V) i natężenie prądu do 18A. Urządzenia dostarczane są w obudowach LGA SiP (system-in-package) o wymiarach 10 x 14 x 2,56mm.

Dodawanie regulatorów z przełączaniem przy zerowym napięciu (ZVS) do sieci o dużej gęstości mocy

Optymalizacja działania regulatorów obniżających z przełączaniem przy zerowym napięciu (ZVS) w sieci rozdziału zasilania drona wymaga pewnych prac projektowych. Ilustracja 5 przedstawia komponenty zewnętrzne wymagane dla każdego produktu z grupy PI352x-00.

Ilustracja 5: regulator obniżający z przełączaniem przy zerowym napięciu (ZVS) firmy Vicor wymaga zewnętrznej cewki, układu dzielników rezystorowych do ustawienia napięcia wyjściowego, a także kondensatorów do filtrowania. (Źródło ilustracji: Vicor)

Każde z urządzeń wymaga zewnętrznej cewki indukcyjnej. Firma Vicor obliczyła wartość indukcyjności dla urządzenia magazynującego energię w celu maksymalizacji sprawności. Dla regulatorów PI3523 i PI3525 zalecana jest cewka indukcyjna o wartości 230nH, natomiast do pracy z P13526 zalecana jest cewka indukcyjna 480nH.

Każdy produkt z grupy PI352x-00 może bezpośrednio obsługiwać wejście 48V= z odpowiedniego modułu BCM (zakres wejściowy dla regulatorów obniżających wynosi od 30 do 60V=), jednak ustawienie napięcia wyjściowego wymaga doboru rezystorów wyjściowych - REA1 i REA2, które razem tworzą układ dzielnika rezystorowego.

Niezależnie od napięcia wyjściowego, rezystor REA2 powinien być ustawiony na 1kΩ w celu uzyskania najlepszej odporności na zakłócenia. Wartość REA1 można następnie obliczyć z następującego wzoru:

Oprócz wartości cewek indukcyjnych, firma Vicor zaleca również wartości kondensatorów C_IN i C_OUT, aby zapewnić prawidłowe załączanie i odsprzęganie wysokich częstotliwości dla stopnia mocy. Grupa produktów PI352x-00 pobiera prawie cały prąd o wysokiej częstotliwości ze swoich niskoimpedancyjnych kondensatorów ceramicznych, gdy główne tranzystory MOSFET po stronie wysokiego napięcia są w stanie przewodzenia. Następnie, gdy tranzystory MOSFET są wyłączone, kondensatory są ładowane ze źródła. W tabeli 1 zestawiono wartości kondensatorów oraz wynikowe prądy tętniące i napięcia.

Tabela 1: zalecane wartości kondensatorów wejściowych i wyjściowych do urządzenia P1352x firmy Vicor przy nominalnym napięciu linii i nominalnym zestrojeniu. (Źródło tabeli: Vicor)

Aby zapewnić optymalną sprawność i niskie zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) w grupie produktów PI352x-00, niezbędny jest minimalny opór ścieżki i wysokie prądy powrotne pętli, wraz z odpowiednim rozmieszczeniem komponentów. Na ilustracji 6 przedstawiono zalecany układ dla regulatora i elementów zewnętrznych. Jest to układ zastosowany w płytce ewaluacyjnej PI3526-00-EVAL1 PI352x-00.

Ilustracja 6: optymalny układ dla regulatora Vicor z przełączaniem przy zerowym napięciu (ZVS), cewki oraz kondensatorów wejściowych i wyjściowych. (Źródło ilustracji: Vicor)

Niebieska pętla na ilustracji 6 wskazuje ciasną ścieżkę pomiędzy kondensatorami wejściowymi i wyjściowymi (oraz V_IN i V_OUT) dla wysokiego powrotnego prądu zmiennego regulatora, która podwyższa sprawność.

Podsumowanie

Aby zoptymalizować zasięg i udźwig dronów, inżynierowie zwrócili się ku wysokonapięciowym systemom uwięzi. Dzięki nim straty mocy i spadek napięcia w kablach są niskie. Wysokie napięcia w uwięzi muszą być jednak bezpiecznie i sprawnie regulowane do napięć magistrali, a następnie redukowane do napięć zasilania wymaganych przez układy elektroniczne drona.

Wysoka gęstość mocy i wysokosprawne moduły przetwornic magistrali (BCM) firmy Vicor zapewniają łatwe do wdrożenia rozwiązania służące do obniżania i podwyższania napięć pomiędzy stacją naziemną, uwięzią i dronem. Uzupełnieniem modułów BCM są przetwornice obniżające z przełączaniem przy zerowym napięciu (ZVS) o niskich stratach przy przełączaniu, które oferują 97-procentową sprawność przy obniżaniu napięcia magistrali do 3,3, 5 i 12V potrzebnych w różnych podsystemach drona.