為什么寬 VIN DCDC 轉(zhuǎn)換器非常適合高單元數(shù)電池供電的無人機(jī)

1.前言

越來越多的無人機(jī)應(yīng)用需要高單元數(shù)的電池組來支持更長的飛行距離和飛行時間。例如，考慮工作電壓為 50V 至 60V 的 14 節(jié)串聯(lián)鋰離子 (Li-ion) 電池組架構(gòu)。在為此類系統(tǒng)設(shè)計(jì) DC/DC 電源時，挑戰(zhàn)之一是如何選擇最大輸入電壓額定值。一些工程師在圖 1 中指定為 V M的節(jié)點(diǎn)看到過大的電壓偏移，但可能不知道它的起源或如何處理它。

2. 無人機(jī)電源介紹

無人機(jī)電源管理，是指如何將電源有效分配給系統(tǒng)的不同組件。電源管理對于依賴電池電源的移動式設(shè)備至關(guān)重要。通過降低組件閑置時的能耗，優(yōu)秀的電源管理系統(tǒng)能夠?qū)㈦姵貕勖娱L兩倍或三倍。電源管理技術(shù)也稱做電源控制技術(shù)。

目前市場上主要的電源管理器件主要包括分立式的電源管理芯片PMIC和集成電源管理單元PMU。電源管理芯片(Power Management Integrated Circuits)，是在電子設(shè)備系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)起對電能的變換、分配、檢測及其他電能管理的職責(zé)的芯片。主要負(fù)責(zé)識別CPU供電幅值，產(chǎn)生相應(yīng)的短矩波，推動后級電路進(jìn)行功率輸出。電源管理芯片既有直插式封裝的，也有表面黏貼式封裝的。電源管理芯片的應(yīng)用范圍十分廣泛，發(fā)展電源管理芯片對于提高整機(jī)性能具有重要意義，對電源管理芯片的選擇與系統(tǒng)的需求直接相關(guān)。

電源管理的范疇比較廣，既包括單獨(dú)的電能變換(主要是直流到直流，即DC/DC)，單獨(dú)的電能分配和檢測，也包括電能變換和電能管理相結(jié)合的系統(tǒng)。相應(yīng)的，電源管理芯片的分類也包括這些方面，比如線性電源芯片、電壓基準(zhǔn)芯片、開關(guān)電源芯片、LCD驅(qū)動芯片、 LED驅(qū)動芯片、電壓檢測芯片、電池充電管理芯片等。如果所設(shè)計(jì)的電路要求電源有高的噪音和紋波抑制，要求占用PCB板面積小(如手機(jī)等手持電子產(chǎn)品)，電路電源不允許使用電感器(如手機(jī))，電源需要具有瞬時校準(zhǔn)和輸出狀態(tài)自檢功能，要求穩(wěn)壓器壓降及自身功耗低，線路成本低且方案簡單，那么線性電源是最恰當(dāng)?shù)倪x擇。

圖 1：無人機(jī)系統(tǒng)框圖

首先，讓我解釋一下電機(jī)驅(qū)動器的操作模式。如圖 2 示意性所示，電池組通過指定為回路 1 的正向電流路徑為有刷直流 (BDC) 電機(jī) M 1供電，并且在此期間電能轉(zhuǎn)換為電機(jī)的旋轉(zhuǎn)動能。反之，當(dāng)電動機(jī)減速或改變旋轉(zhuǎn)方向時，就起到發(fā)電機(jī)的作用；由此產(chǎn)生的反電動勢（EMF） 通過驅(qū)動器通過電流回路 2 將能量返回到輸入。

盡管這種行為在提高整體系統(tǒng)效率方面似乎是有利的，但再生行為可能會導(dǎo)致大的反向電流和隨之而來的電源輸入電壓過沖。

圖 2：BDC 電機(jī) H 橋驅(qū)動器的正向電流路徑

表 1 列出了不同電機(jī)類型的典型電壓額定裕度。過沖電壓范圍（相對于標(biāo)稱電池工作電壓）還取決于無人機(jī)的飛行動力學(xué)和每個螺旋槳推力和方向變化的控制算法。

表 1：電機(jī)驅(qū)動器額定電壓要求

為了管理此電壓過沖并確保系統(tǒng)安全運(yùn)行，您可以使用大容量電解電容器 C 1來吸收能量，或者添加瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 二極管將電壓鉗位到安全范圍.

以 2200uf/63v 電解電容器為例。它的直徑和高度分別為 18 毫米和 33 毫米——在占地面積和輪廓是重要限制的無人機(jī)實(shí)施中相當(dāng)大。這種電容器的 1,000 個單價從 Digi-Key 等分銷商處購買的價格超過 1.00 美元。更重要的是，這種電解電容器具有有限的額定壽命，代表了系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)健性方面的公認(rèn)限制。TVS 夾具還會為整個系統(tǒng)帶來空間、成本和可靠性問題。

另一種選擇是使用具有寬輸入電壓范圍和高線路瞬變抗擾度的DC/DC轉(zhuǎn)換器解決方案，以適應(yīng)電機(jī)再生動作期間的全電壓偏移。

選擇具有寬 V IN范圍的轉(zhuǎn)換器，例如TI的LM5161 1a同步降壓轉(zhuǎn)換器 （參見圖 3），您可以消除大容量儲能或 TVS 鉗位，從而節(jié)省時間、成本和電路板空間。此外，LM5161 轉(zhuǎn)換器在平臺設(shè)計(jì)方面提供了很大程度的靈活性。它不僅支持非隔離輸出，而且轉(zhuǎn)換器還可以提供一個或多個隔離輸出——使用Fly-BACK電路實(shí)現(xiàn)——如果有必要打破接地回路或去耦無人機(jī)系統(tǒng)中的不同電壓域。如果 9V 和 13V 之間的 VCC 偏置軌可用，LM5161 的輸入靜態(tài)電流在 50V 輸入時會降低至 325μA，以在待機(jī)工作條件下維持電池壽命。

圖 3：LM5161 降壓轉(zhuǎn)換器原理圖

3.總結(jié)

在持續(xù)關(guān)注高可靠性、小尺寸和低總體物料清單成本的同時，寬 V IN同步降壓轉(zhuǎn)換器與無人機(jī)應(yīng)用的各種電源管理電路無縫對接。當(dāng)機(jī)械能從電機(jī)循環(huán)返回輸入電源時，所提出的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器在瞬態(tài)電壓事件期間可以方便地提供高效性能、拓?fù)潇`活性和增強(qiáng)的電路魯棒性。