Projektowanie sprawnych, modułowych sieci zasilających dla dronów przewodowych
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).
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 CIN i COUT, 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 VIN i VOUT) 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.
Autor: Steven Keeping
Kontakt w Polsce: Arkadiusz Rataj
Sales Manager Central Eastern Europe & Turkey
Digi-Key Electronics Germany
0048 696 307 330
arkadiusz.rataj@digikey.com
poland.support@digikey.pl