Jak navrhovat efektivní modulární sítě dodávky energie pro bezpilotní upoutané letouny (UAV)

Bezpilotní letouny (UAV) neboli „drony“ se stále častěji používají pro těžké aplikace, jako je pozemní průzkum pro armádu, hasiče a zemědělství. Tyto a mnoho dalších případů použití vyžadují, aby dron vydržel ve vzduchu dlouhou dobu, čímž se baterie stávají nevhodnou volbou. Namísto toho je dron po dobu letu napájen pomocí upoutaného kabelu.

Upoutací vedení však přinášejí nové výzvy. Silnější upoutací vedení nabízí nižší elektrický odpor, ale klade větší zátěž na dron, což omezuje jeho nosnost. Tenké kabely zvyšují elektrický odpor, což způsobuje nepřijatelné výkonové ztráty a úbytek napětí na typicky dlouhých upoutacích vedeních dronů. Konstruktéři se snaží ztráty spojené s tenčími kabely překonat zvýšením napětí vedení až na 800 V. Při daném výkonovém požadavku takové zvýšení pomáhá snížit proud.

Problematika pak spočívá ve vyřešení vysokého napětí v dronu. Rozvodná síť energie dronu musí být schopna převzít vysoké napětí a efektivně je snížit na nižší napětí, které vyžadují bezpilotní letouny (UAV). Jakékoli řešení řízení spotřeby energie musí být lehké a kompaktní, aby se minimalizoval dopad na nosnost letounu.

Tento článek pojednává o výhodách vysokonapěťových napájecích systémů pro upoutané drony. Dále vysvětluje, proč jsou moduly konverze sběrnice (BCM) s vysokou účinností a vysokou výkonovou hustotou a snižovače napětí se spínáním v nulovém bodě (ZVS) dobrou volbou při návrhu distribučních sítí pro aplikace upoutaných bezpilotních letounu (UAV). Na příkladech modulů BCM a snižovačů napětí ZVS od společnosti Vicor ukazuje, jak navrhnout lehkou a zároveň účinnou napájecí síť.

Vyšší napětí umožňují lehčí kabely

Upoutací vedení osvobozují konstruktéry od omezení, která na drony kladou baterie (obrázek 1). Bezpilotní letouny (UAV) mohou zůstat ve vzduchu po dlouhou dobu za předpokladu, že je k dispozici pozemní napájení, což jim umožňuje pracovat v aplikacích, jako jsou pozorovací platformy nebo nadhorizonální rádiová relé. Nevýhodou je skutečnost, že dron musí zvedat potenciálně těžký kabel, což může omezit jak jeho provozní dosah, tak i rezervu pro užitečnou zátěž, jako jsou kamery nebo rádiová zařízení.

Obrázek 1: drony mohou setrvávat ve vzduchu po dlouhou dobu díky energii přiváděné přes upoutací vedení. (Zdroj obrázku: Vicor)

Komerční drony vyžadují pro své různé systémy několik stejnosměrných napětí. Například napětí 48 V je běžné pro motory, zatímco napětí 12, 5 a 3,3 V jsou typická pro senzory, akční členy a řídicí elektroniku. Tenká a lehká upoutací vedení pomáhají omezovat hmotnostní zatížení dronu, při použití 48V zdroje však vyšší odpor kabelu (jeho odpor se zvyšuje se snižujícím se průřezem) může u dlouhých vedení způsobit nepřijatelně vysoký úbytek napětí (definovaný jako pokles zdrojového napětí o více než 3 až 5 % na vzdáleném konci kabelu) a ztrátový výkon.

Úbytek napětí a ztrátový výkon kabelu jsou úměrné proudu, který přenáší, nikoli napětí. Takže například komerční dron, který potřebuje konstantní výkon 1,5 kW napájený přes 48V zdroj, bude vyžadovat proud 1500/48 = 31,25 A. Identický výkon lze dodat zvýšením napětí, čímž se sníží požadovaný proud a následně také úbytek napětí a ztrátový výkon. Při použití například 800V zdroje bude třeba proud pouze 1500/800 = 1,9 A. Takový proud umožňuje konstruktérovi bezpečné použití lehkého kabelu.

Síť dodávky energie pro dron

Aby mohli konstruktéři využívat zdroje s vyšším napětím a lehčí upoutací vedení, musejí navrhnout distribuční sítě energie, které dokáží bezpečně a efektivně snížit vysoké napětí přenášené v upoutacím vedení na pracovní napětí potřebná pro systémy dronu.

Příklad takové sítě je znázorněn na obrázku 2. Tato síť je postavena z modulů BCM a snižovačů napětí ZVS od společnosti Vicor.

Obrázek 2: síť rozvodu energie pro upoutaný dron. Povšimněte si, jak je napětí 48V sběrnice používané pro pozemní systémy v upoutacím vedení zvýšeno na 800 V a poté u dronu sníženo zpět na 48 V. (Zdroj obrázku: Vicor)

V tomto příkladu modul BCM převádí třífázové napájení 208 V AC na stejnosměrné napětí 48 V pro pozemní počítačové systémy dronu. Snižovače napětí ZVS snižují napájecí napětí ze 48 V na 12, 5 a 3,3 V používané jednotlivými pozemními zařízeními. Stejnosměrné napájecí napětí 48 V je poté zvýšeno pomocí druhého modulu BCM na 800 V, aby byl minimalizován úbytek napětí a ztráta výkonu v upoutacím vedení.

V dronu pak třetí modul BCM sníží napětí zpět na 48 V. Distribuční síť energie v dronu obsahuje další snižovače napětí pro napájení kamer, senzorů a logických zařízení vhodným napětím.

Doporučenými moduly BCM pro tuto aplikaci jsou obvody BCM4414VD1E5135C02 pro počáteční konverzi z 208 V AC na 48 V DC a BCM4414VH0E5035M02 pro konverzi z 48 V DC na 800 V DC a zpět od společnosti Vicor.

Modul BCM4414VD1E5135C02 pracuje na sběrnici o napětí 260 až 400 V a poskytuje low-side výstupní napětí 32,5 až 51,3 V. Zařízení poskytuje nepřetržitý low-side proud až 35 A, výkonovou hustotu až 49 W na centimetr krychlový (W/cm³) účinnost ve špičce 97,7 % (obrázek 3).

Obrázek 3: moduly konverze sběrnice od společnosti Vicor vykazují dobrou účinnost v širokém rozsahu low-side proudů (T_CASE = 25 °C). (Zdroj obrázku: Vicor)

Modul BCM4414VH0E5035M02 pracuje na sběrnici o napětí 500 do 800 V a nabízí výstupní low-side napětí 31,3 až 50,0 V s maximálním trvalým výstupním výkonem 1,5 kW. Trvalý low-side proud, výkonová hustota a účinnost ve špičce jsou totožné s jeho sesterským produktem. Modul BCM je dodáván v pouzdru o rozměrech 110,5 x 35,5 x 9,4 mm a váží 145 g.

Modul BCM od společnosti Vicor dále nabízejí flexibilní možnosti regulace tepla s velmi nízkou horní a spodní tepelnou impedancí. Díky těmto součástkám může konstruktér napájecího systému zmenšit velikost a hmotnost upoutacího vedení i pozemního napájení a dronu.

Vzhledem k tomu, že moduly BCM od společnosti Vicor jsou napájecí zdroje typu DC-to-DC, musí být počáteční třífázové vstupní napětí 208 V AC před prvním modulem BCM převedeno na stejnosměrné, jak je znázorněno na obrázku 2. Vhodným zařízením pro usměrnění střídavého napětí je vstupní AC modul od společnosti Vicor (AIM), např. AIM1714VB6MC7D5C00 (obrázek 4). Modul AIM může přijímat střídavé vstupní napětí 85 V až 264 V a poskytovat usměrněný výstup s proudem až 5,3 A a výkonem až 450 W.

Obrázek 4: modul BCM vyžaduje usměrněné vstupní střídavé napětí. Řešením je součást, jakou je např. třífázový modul AIM od společnosti Vicor. (Zdroj obrázku: Vicor)

Regulace snižování napětí s vysokou výkonovou hustotou a flexibilitou

Jakmile modul BCM v pozemní stanici nebo dronu sníží napětí na stejnosměrnou hodnotu 48 V, jsou vyžadovány snižovače ZVS, aby dále snížily napětí pro napájecí vedení do různých systémů. Zejména v dronech musí snižovače napětí vykazovat vysokou výkonovou hustotou a účinnost, aby tvořily kompaktní a lehký zdroj energie. Pro tento úkol velmi vhodné snižovače napětí ZVS.

U konvenčních regulátorů s tranzistory MOSFET jsou hlavním zdrojem neefektivity spínací ztráty, které mají negativní vliv na hustotu výkonu. Tyto ztráty řeší systém spínání napětí v nulovém bodě (ZVS), který je zvláštní výhodou snižovačů napětí pracujících s relativně vysokým vstupním napětím.

Mechanismus spínání ZVS (také známý jako „soft switching“) je složitý, ale lze jej nejlépe definovat jako konvenční přeměnu výkonu s pulzně-šířkovou modulací (PWM) během doby zapnutí tranzistoru MOSFET, avšak s „rezonančními“ spínacími přechody. Regulace výstupního napětí je dosaženo úpravou efektivního pracovního cyklu (a tím doby „zapnutí“) změnou převodní frekvence spínaného regulátoru.

Během doby vypnutí mechanismu ZVS je L-C obvod regulátoru ve stavu rezonance, napětí na spínači přechází z nuly na maximum a poté zpět na nulu, kdy lze spínač znovu aktivovat. V tomto procesu jsou přechodové ztráty tranzistorů MOSFET spínacího regulátoru nulové bez ohledu na pracovní frekvenci a vstupní napětí, což představuje významné úspory energie a podstatné zlepšení účinnosti. (Viz „Vyhodnocení spínání napětí v nulovém bodě a jeho významu pro regulaci napětí“.)

Společnost Vicor vyrábí řadu snižovačů napětí ZVS integrovaných s řídicími obvody, výkonovými polovodiči a pomocnými součástmi v zařízeních LGA, BGA a system in package (SiP) s vysokou hustotou. Spínací regulátory napětí doplňují moduly používané v jiných částech obvodu rozvodu energie v dronu. Snižovače napětí ZVS nabízejí kvalitní výkonovou hustotu a flexibilitu pro vysoce účinnou regulaci typu DC-to-DC na straně zátěže (PoL). Lze je využívat k efektivnímu snižování 48V napětí sběrnice na 3,3, 5 a 12V pro ostatní subsystémy dronů.

Příklady snižovačů napětí ZVS zahrnují produkty skupiny PI352x-00. K vytvoření kompletního DC-DC spínaného snižovače napětí vyžadují regulátory PI352x-00 pouze jeden externí induktor, dva rezistory pro volbu napětí a minimální počet kondenzátorů. Všechny regulátory pracují se vstupním napětím 30 V až 60 V. Tato skupina zahrnuje tři obvody: PI3523-00, který poskytuje jmenovité výstupní napětí 3,3 V (v rozsahu 2,2 Važ 4 V) a proud až 2 A, PI3525-00, který poskytuje jmenovité výstupní napětí 5,0 V (v rozsahu 4 V až 6,5 V) a proud až 20 A a PI3526-00, který poskytuje jmenovité výstupní napětí 12 V (v rozsahu 6,5 V až 14 V) a proud až 18 A. Obvody jsou dodávány v pouzdru LGA SiP o rozměrech 10 x 14 x 2,56 mm.

Přidání regulátorů ZVS do sítě výkonové hustoty

Optimalizace výkonu snižovačů napětí ZVS v distribuční napájecí síti dronů vyžaduje určité konstrukční práce. Obrázek 5 ukazuje externí součásti požadované pro každého člena skupiny PI352x-00.

Obrázek 5: snižovač napětí ZVS od společnosti Vicor vyžaduje externí induktor, síť odporových děličů pro nastavení výstupního napětí a filtrační kondenzátory. (Zdroj obrázku: Vicor)

Každé součást vyžaduje externí induktor. Společnost Vicor vypočítala hodnotu indukčnosti pro zařízení pro ukládání energie pro maximalizaci účinnosti. Pro regulátory PI3523 a PI3525 se doporučuje induktor 230 nH, zatímco pro použití s regulátorem P13526 se doporučuje induktor 480 nH.

Zatímco každý člen skupiny PI352x-00 může přímo ovládat stejnosměrné vstupní napětí 48 V z příslušného modulu BCM (vstupní rozsah pro snižovače napětí je 30 až 60 V DC), nastavení výstupního napětí vyžaduje výběr výstupních rezistorů REA1 a REA2, které dohromady tvoří síť odporového děliče.

Pro dosažení nejlepší odolnosti proti šumu by bez ohledu na výstupní napětí měl být odpor REA2 nastaven na 1 kΩ. Hodnotu odporu REA1 pak lze vypočítat pomocí následujícího vzorce:

Kromě hodnot induktoru doporučuje společnost Vicor také hodnoty kondenzátorů C_IN a C_OUT pro zajištění správného rozběhu a vysokofrekvenčního oddělení výkonového stupně. Obvody skupiny PI352x-00 odebírají téměř veškerý vysokofrekvenční proud ze svých nízkoimpedančních keramických kondenzátorů v době uvedení hlavních high-side tranzistorů MOSFET do vodivého stavu. V době vypnutí tranzistorů MOSFET jsou pak kondenzátory doplňovány ze zdroje. V Tabulce 1 jsou uvedeny hodnoty kondenzátorů s výslednými hodnotami zvlnění proudů a napětí.

Tabulka 1: Doporučené hodnoty pro vstupní a výstupní kondenzátory Vicor P1352x při jmenovitém síťovém napětí a jmenovitém trim nastavení. (Zdroj tabulky: Vicor)

Pro zajištění optimální účinnosti a nízkého elektromagnetického rušení (EMI) u skupiny PI352x-00 je nezbytný minimální odpor trasování a vysokoproudové zpětné smyčky společně se správným umístěním součástí. Obrázek 6 ukazuje doporučené rozložení regulátoru a externích součástí. Toto rozložení používá vyhodnocovací deska PI3526-00-EVAL1 skupiny PI352x-00.

Obrázek 6: optimální rozložení pro regulátor Vicor ZVS, induktor a vstupní a výstupní kondenzátory. (Zdroj obrázku: Vicor)

Modrá smyčka na obrázku 6 označuje těsnou cestu mezi vstupními a výstupními kondenzátory (a napětím V_IN a V_OUT) pro dosažení vysokého střídavého zpětného proudu regulátoru, který napomáhá účinnosti.

Závěr

Z důvodů optimalizace dosahu a nosnosti dronů začali konstruktéři využívat vysokonapěťová upoutací vedení. Tato vedení minimalizují ztrátový výkon a úbytek napětí v kabelech. Vysoké napětí v upoutacím vedení však musí být bezpečně a efektivně regulováno na napětí sběrnice a poté dále sníženo na napájecí napětí potřebná pro elektronické systémy dronu.

Vysoká výkonová hustota a účinné moduly BCM od společnosti Vicor poskytují snadno implementovatelné řešení pro snížení a zvýšení napětí mezi pozemní stanicí, upoutacím vedením a dronem. Moduly BCM jsou doplněny snižovači napětí ZVS s nízkými spínacími ztrátami, které nabízejí 97% účinnost při snižování napětí sběrnice na 3,3, 5 a 12 V potřebných pro různé subsystémy dronu.