无人机DC／DC电源的小型化设计

• 关键词：无人机,DC／DC电源
• 摘要：无人机机载DC／DC电源输入机载蓄电池产生的直流电，经整流、滤波后得到满足仪器要求的直流稳压电源。据无人机电源行业专家中电华星的电源工程师介绍，无人机系统功能的不断增强对其DC／DC电源也提出了向轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰发展的要求，而在该电源系统中，体积相对较大的滤波电容器是必不可少的。

1 引言

无人机机载DC／DC电源输入机载蓄电池产生的直流电，经整流、滤波后得到满足仪器要求的直流稳压电源。据无人机电源行业专家中电华星的电源工程师介绍，无人机系统功能的不断增强对其DC／DC电源也提出了向轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰发展的要求，而在该电源系统中，体积相对较大的滤波电容器是必不可少的，同时因遇到安全标准(如UL，CCEE等)及EMC指令的限制(如IEC，FCC，CSA)，直流输人则必须加EMC滤波及使用符合安全标准的元件．这样就更加限制了电源体积的小型化。据此，中电华星的无人机电源团队工程师依据开发经验整理此文，供大家参考。

2 机载DC／DC电源的小型化途径

2．1 优化PCB板的设计与制作

根据从原理图到PCB板的没计制定科学流程，如图1所示。

进行电路板设计时一般有以下原则：

(1)滤波电容、电源开关或整流器、电感等应彼此相邻地进行放置．调整元件位置使它们之间的电流路径尽可能短：

(2)建立开关电源布局应按照如下的流程：设计电源开关电流回路、没计输出整流器电流回路、连接到直流电源电路的控制电路、设计输入电流源回路和输入滤波器、没计输出负载和输出滤波器；

(3)根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局要考虑PCB尺寸大小，放置器件时要考虑焊接，以每个功能电路的核心元件为中心进行布局：

(4)元器件均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上，尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接，去耦电容应尽量靠近器件的VCC，在高频下工作的电路，要考虑元器件之问的分布参数。一般电路应尽可能地使元器件平行排列，美观且易焊装；

(5)按照电路的流程安排各个功能单元的位置，使布局便于信号流通，并且使信号尽可能保持方向一致。布局的首要原则是保证布线的布通率，移动器件时注意飞线的连接．把有连线关系的器件放在一起。尽可能地减小环路面积以抑制开关电源的辐射干扰：

(6)复查PCB的内容包括没计规则、层定义、线宽、间距、焊盘、过孔没置，还要重点复查器件布局的合理性，电源、地线网络的走线，高速时钟网络的走线与屏蔽，去耦电容的摆放和连接等。

2．2 电源部件的选择

无人机机载电源必须满足抗恶劣环境的要求，例如必须适应-55～ +60℃的环境温度和较宽的输入电压变化范同；还要耐振动、撞击、抗电磁干扰等高可靠要求。因此，在分析和探讨电源小型化的方案时。须考虑到工作在恶劣环境下仍然满足各项电气性能指标。

(1)采用集成度高、功率密度大的DC—DC变换器模块

随着功率电子学的兴起与快速发展．DC．DC变换器集成电源模块已被大量开发并投放市场。而且得到了越来越广泛的应用．但各供应商生产的模块电源，其工作频率、变换效率各不相同，在输出功率相同的情况下，体积、重量相差较大，同时应用环境也各不相同。因此，要想设计体积小、重量轻，又能适应恶劣环境下使用的电源部件，真正可选用的电源模块并不多。只有国外几种电源模块可选用，如美同的VICOR，TI等。

(2)优先选用具有多路输出电压的电源模块

单路电压输出与多路电压输出的电源模块各有优缺点，前者只有一路电压输出，是直接受调控的，因而输出的电压精度高；后者输出电压好几路．但只有主回路输出的电压精度高，其余的是间接受到控制，因而输出电压的精度比较低。由于多种电压要由多块单输出模块来实现，所以要比直接采用多路电压输出模块体积大。为了减小体积和重量，在满足技术要求的前提下，应优先选用多路电压输出的电源模块。

(3)采用低压差线性集成稳压器作为二次稳压

在普遍采用开关式集成稳压模块的情况下，线性集成稳压器(特别是低压差的线性集成稳压器)仍然广泛地被采用。

(4)必要的少量外同分立元器件也尽量采用体积小、重量轻的片式表面贴装器件采用集成电源模块组成的电源部件．仍有少量的分立元器件，如滤波用的电感器、X电容和Y电容器，以及调节电压的电阻器等，也一律采用贴片式。

(5)电源部件所需的某些非标准输出电压。当无法从单块电源模块获得时，可采用标准电压输出的小型电源模块，进行互相串联得到。

(6)当采用一家供应商不能满足体积、重量要求时，可采用多家供应商提供的电源模块进行组合设计。

(7)要减小整个电源的体积和重量．将电源模块的基板贴在机箱的内壁利用金属壳体散热是非常必要的。

3 某机载电源的小型化设计

3．1 某机载设备对电源的技术要求(如表1所示)

3．2 根据技术要求确定电源部件的设计方案

根据陔电源部件输出电压种类多、给定的外形尺寸小，且输入电压变化池围大、工作温度范围宽等特点，必须选用小型、高可靠的军档电源模块。

(1)12 V(5 A)选用VICOR生产的单路输出V24C12T100B电源模块．该模块输出电压为12 V(100 W)，工作温度为-40～+100℃，外形尺寸为57．9 mm×36．8 mm×12．7 mm，其性能满足没计要求。

(2)5 V(6 A)选用ERICSSON生产的单路输出PKM251 1EPI电源模块，该模块输出电压为5 V(10 A)，工作温度为-40～+90。C，外形尺寸为57．9 mm×36．8 mm×8．5 mm，其性能满足设计要求。

(3)+5 V(1 A)选用TI生产的FF6302N电源模块，该模块输出电乐为5 V(3 A)，工作温度为-40～+85℃．外形尺寸为42．5 mm×8．2 mm×15．9 mm．其性能满足设计要求。

(4)+12 V(2 A)选用TI生产的PT6304N电源模块，该模块输出电压为12 V(3 A)。工作温度为-40～+85℃．外形尺寸为42．5mm×8．2 mm×15．9 mm．其性能满足没计要求。

3．3 散热与分立器件的处理

(1)由于各种电源模块的厚度不一致，为了将模块基板贴靠箱体散热．在电源盒箱体的后壁作适当的结构处理，使不同高度的模块基板都能紧靠盒体后壁，这样，电源产生的热量就通过很大的金属接触面直接传送到盒体外。

(2)滤波电容采用CA45型等片式固体电解质钽电容器．其外形最大尺寸为7．3mm×4．3mm×2．8mm，滤波电感采用了小型磁芯绕制的电感器。

(3)为满足电磁兼容性要求，在28．5 V输入端采用了TVS 瞬变电压吸收二极管(1．5KE43A)和小型的抗干扰滤波器。

4 应用效果

据中电华星工程师介绍，该电源部件中的所有元器件全部组装在100mm×100 mm 的板面内。元器件最大高度≤18 mm．质量≤250 g．电源经各项性能测试和高低温实验，并与全系统联试，其各项技术性能均达到设计要求．满足整机需要。更多电源解决方案详询中电华星。