什么样的电源设计，能让无人机载荷更大、飞得更远？
无人机是一种无人驾驶的航空器，可以由人类操作员远程控制，也可以由编程的机载计算机自主导航。由于其为人类提供了一种利用天空的新方式，近年来备受追捧，其潜在的巨大价值也正在释放出来。
根据Mordor Intelligence的研究报告，全球无人机市场规模预计在2024年为352.8亿美元，到2029年将增长至676.4亿美元，这期间的复合年增长率高达13.9%。
虽然无人机起步于军用领域，不过其高速而持续的市场增长，主要得益于无人机在民用市场的开疆扩土，在建筑、农业、能源、娱乐、执法、消防、航空测绘等领域，无人机的渗透力越来越大，并正在定义一个区别于传统航空业的全新的“低空经济”。以中国为例，按照工业和信息化部等四部门的规划，到2030年，通用航空装备（以无人机为主导）与各个行业融合而推动的低空经济，将形成万亿级的市场规模。
图1：快速兴起的无人机应用（图源：Vicor）
不过，如果你置身于这个新兴行业，在为乐观的市场预期而欢欣鼓舞的同时，也一定会感受到，这种增长预期正在受到传统技术的限制和阻碍——想要让无人机经受得住市场和用户的考验，就需要实现更大的有效载荷能力、更长的飞行时间（更远的航程），而传统技术显然不具备这种能力，这时就需要新的技术和解决方案来提供“动力”。
其实，人们对新技术的期待说起来也简单：考虑到载荷和航程都与自重相关，谁能够在确保所需性能和功能的前提下，实现机载设备的轻量化、小型化和高效率，那就是理想的解决方案！这一核心诉求，也影响到无人机设计开发的方方面面。
无人机PDN轻量化设计的挑战
众所周知，目前主流无人机的动力都来自于电能，同时，无人机上搭载的各种设备，如传感器、摄像机和通信设备，也都需要电源，这就决定了供电网络（PDN）是必不可少的一环。如何提高PDN的效率、可靠性，减轻重量和尺寸，为更大的有效载荷和功能腾出空间，也就成为了无人机设计中一个重要命题，这也是提升无人机有效载荷和航程的一个关键抓手。
无人机PDN轻量化的要求，可以被分解为三个电源管理上的设计目标：
小型轻量：PDN中所有电源管理组件，都要尽可能做到更小、更轻，这一要求显而易见。同时，考虑到无人机总功率会不断增加（基于不断增长的动力和功能性需求），电源管理组件的功率密度也要增加，这就十分考验相关产品的设计能力了。
高效率：在恒定的功率输出下，效率越高，则意味着传输和转换过程中无谓的能耗更少，自然有利于提高无人机的续航能力。同时，高效率也有助于简化散热系统，避免使用笨重的散热组件，为无人机“减负”。
宽输入范围：为了支持更充沛的电能输出，PDN需要对高至几百伏的输入电压进行转换，而后将电能配送至各个用电负载，因此宽输入范围也是一个重要的设计考量。此外，方案也需要具备可扩展性，比如随无人机电源需求的增加，通过简单的并联即可轻松进行电源扩展。
想要实现上述的目标，需要在深入理解无人机应用需求的基础上，从系统架构到每个电源管理节点上的模块/器件，做全面的优化，以形成理想的解决方案。在这方面，Vicor就是个中高手。
图2：Vicor无人机PDN解决方案（图源：Vicor）
在系统架构上，Vicor将无人机PDN解决方案分为两级：第一级是将高压电池输出的母线电压降压转换为一个中间母线电压（比如图2所示 ，从800V转换为40V），这通常是通过一个固定比率母线转换器来完成；第二级则是使用低电压DC-DC转换器，将中间母线电压降至通用的28V电压。实践证明，这样的架构，不仅可优化效率和功率密度，而且还有利于简化热管理，应该是更优的选择。
从器件层面来看，Vicor在每个电源转换节点上，都采用了其开发的高效、高功率密度的电源模块。每个电源模块都是将数百个电子元器件集成在一个紧凑的封装中，根据需要提供隔离、稳压、转换和变压等功能，且每个电源模块都经过了测试，即插即用，大大简化了系统开发的工作。
图3：Vicor电源模块优势特性（图源：Vicor）
归纳起来，在无人机应用中，Vicor这种基于电源模块的PDN解决方案，可以带来三大优势：
高度集成，结构紧凑，重量轻，支持更大的功率密度。
高效率简化了散热系统，优化了整个系统的热管理。
经过测试的电源模块，便于在系统中应用集成，无需重复测试和确认设计，加速开发进程。
有了优化的系统架构，加上Vicor丰富的电源模块产品组合，这就构成了一个完整的开发平台，无论是哪种无人机的PDN应用，都可以在其中快速找到对应的解决方案。
理想的母线转换器模块
在Vicor的无人机PDN解决方案中，作为第一级的母线转换器是关键的第一步。为此，Vicor提供了BCM??母线转换器模块，这是一款高密度、高效率、固定比率（非稳压）隔离式 DC-DC 转换器模块，其可将输入电压按照一定比例进行降压转换，并提供电流隔离，峰值效率高达98%，功率密度高达2,870W / in3。
图4：BCM母线转换器模块（图源：Vicor）
BCM模块本质上是一个非常小的高频DC-DC“变压器”，按照固定比例（K值）进行电压转换。之所以选择这种固定比率的DC-DC转换方式，而不是常见的稳压式方案，是因为稳压DC-DC转换器的结构更复杂——而对于中间配电母线电压而言，稳压并不那么重要；与之相较，固定比率转换器则可在更小的尺寸下提供比稳压转换器更高的效率，对于简化系统、实现小型化和轻量化、提升PDN整体系统效率大有裨益。
BCM系列支持从48V到800V的输入范围，提供各种K值的产品，以适应不同应用所需。同时，BCM系列利用Vicor谐振正弦振幅转换器（SAC）拓扑，利用高频零电压开关（ZVS）和零电流开关（ZCS）实现了出色的高效率和功率密度，同时具有低噪声和快速瞬态响应。
此外，BCM的低交流阻抗超出了大多数下游稳压器的带宽，这使得通常放置于稳压器输入端的大容量电容可以移至BCM的高压输入端，有利于降低对大容量电容的要求，节省电路板面积和系统成本。
值得一提的是，BCM模块还可以很轻松地并联到更高功率的阵列中；BCM也可通过串联实现更高的Vout，具有灵活的可扩展性。
Vicor的BCM采用ChiP或Vicor集成型适配器 (VIA) 封装，它们都在散热方面都进行了优化，而且有些模块还集成了PMBus通信和EMI滤波，以满足更复杂的功能性要求。
总之，高效率、高功率密度、有利于散热的封装、灵活可扩展……这些差异化的特性，让BCM模块在高输入电压、大功率的无人机应用中，确立了独特的价值优势。
赋能轻量化无人机PDN应用
BCM模块在无人机领域的一个典型应用，就是通信无人机的PDN设计。
通信无人机的特点是利用太阳能作为能量源，来满足其长时间飞行的需求，为特定场景提供无线通信连接服务。太阳能电源系统使用极大功率点跟踪 (MPPT) 电路确保太阳能的采集和转换，PDN的工作则是将太阳能电池板输出的350V高压直流母线电压转换为48V的中间母线电压，或者可以作为二级电池的充电电压。
图5：通信无人机利用太阳能作为能量源（图源：Vicor）
针对这一特定应用，Vicor的解决方式是：采用BCM6123完成350V到48V中间母线的隔离转换；再由具有极宽输入电压范围的PI3741 ZVS升降压稳压器，将中间母线电压转换为严格稳压的28V输出，为各个无人机负载供电。
图6：面向通信无人机的PDN解决方案（图源：Vicor）
该方案中用到的BCM6123是BCM系列的主打产品之一，是一款基于ChiP封装的母线转换器模块，额定工作输入电压为380VDC，具有隔离式安全超低电压 (SELV) 二次输出，输出电流高达125A。BCM6123模块的输出电压为8.1V至51.3V，效率高达98%。其同样可以通过并联输入和输出实现高功率阵列。同时，BCM6123还具有数字PMBus通信功能，可在系统设计中实现控制和遥测功能。
图7：BCM6123 ChiP母线转换器模块（图源：Vicor）
可以说，BCM6123模块能够满足通信无人机对于高效、小型化、轻量级PDN的所有需要。同样，如果你需要其他无人机PDN解决方案，也可以在Vicor的方案集中找到心仪的那一款。
图8：Vicor的无人机PDN解决方案集（图源：Vicor）
本文小结
无人机技术正在迅猛发展，随着产品的迭代升级，其对电能需求也越来越大。简单地让无人机“背”上容量更大的电池、增大输出功率，显然会牺牲掉更为关键的有效载荷和续航能力，这是不能接受的。而传统的无人机动力系统，缺乏高功率密度、高效率、轻量级的解决方案，来满足新型无人机的新需求。
为了应对这一挑战，Vicor提出了一个创新的思路：打造一个基于模块化电源产品的为无人机专门优化的PDN，提高效率、可靠性、减轻重量和尺寸，以实现更大的航程和飞行时间。这应该就是无人机电源系统设计这道难题的正确答案。
文章来源：贸泽电子
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