無人機ＡＣ／ＤＣ電源的小型化設計

摘 要：介紹了無人機機載AC/DC電源的發展要求，分析該種電源小型化設計的難點所在，運用系統優化設計的方法分析電源的各功能部件。通過采用替換元件、重建結構、集成電路等手段使電源系統保持成本盡可能低的同時做到體積最小。實現了應用的高效率和靈活性，對我軍無人機整體性能的進一步提升具有十分重要的意義。

關鍵詞：無人機；AC/DC電源；電源小型化設計；PCB 

中圖分類號：TN710 文獻標識碼：B 文章編號：1004-373X(2008)02-079-02

The Minimize Designing for AC/DC Converter of UAV

LIU Changliang，LI Chunjun，CHENG Jian

(UAV Mechano-electrical Teaching Room，Wuhan Mechanical Technology Academy，Wuhan，430075，China)

Abstract：The requirements of development of AC/DC converter in UAV is introduced.In this paper，the difficulty of minimize design for this converter is analyzed.Using the system optimization design method to research the components of converter，by components replacing，structure rebuilding，circuits integrating，AC/DC converter is minimized and kept the cost low.Making it more effective and more flexible is vital for promoting the capability of UAV.

Keywords：UAV;AC/DC converter;electric power;minimize design;PCB

1 引 言

無人機機載AC/DC電源輸入發電機產生的交流電，經整流、濾波后得到滿足儀器要求的直流電。無人機系統功能的不斷增強對其AC/DC電源也提出了向輕、小、薄、低噪聲、高可靠、抗干擾發展的要求，而在該電源系統中，體積相對較大的濾波電容器是必不可少的，同時因遇到安全標準（如UL，CCEE等）及EMC指令的限制（如IEC，FCC，CSA），交流輸入側必須加EMC濾波及使用符合安全標準的元件，這樣就更加限制了電源體積的小型化。

另外，由于內部的高頻、高壓、大電流開關動作，使得解決EMC電磁兼容問題難度加大，同時電源的工作消耗增大，也限制了AC/DC變換器模塊化的進程，必須采用系統優化設計方法才能滿足小型化的實際需要。

2 設計的主要目標分析

電源功效必須盡可能的高 雖然在實際應用中最耗能的是微處理器，但是技術的進步仍然要求電源進一步提高功效。功效越高所需的散熱片就越小，才能節省系統空間。

電源成本必須盡可能的低 無論是原材料成本還是制造復雜性方面。考慮功能的簡單設計是重要因素。控制和報警信號、和同類設備的均流以及在各種交流輸入情況下保持穩定性能等都是非常重要的。 

由圖1所示的AC/DC電源電路結構框圖可以看出，要在保證性能和功能的前提下將電源的大小和成本最小化至少應從以下幾個方面入手。

2.1 使用兩階式輸入濾波器

使用一個兩階式濾波器可以使電源外形最小化，并實現高共模和微分降噪。如果垂直堆疊組件，則可以節省板空間，同時改進了冷卻。 

2.2 在功率因數校正電路（PFC）中考慮采用碳化硅二極管

由于碳化硅二極管的成本有所下降，可以將其作為降低成本和電源大小的一個途徑。碳化硅二極管的反向電流特性使系統可以不需要緩沖電路，因此可以節省5~6個組件。同時由于碳化硅二極管的應用，功效可提高1％。若使用階梯感應器，則可在高輸入線時提供高感應，在低輸入線時支持最可能大的流量密度。在輸入范圍中使用連續感應模式（CCM）操作，可以保持最小的峰值轉換電流和輸入濾波器要求。 

2.3 在主變流器中采用新型材料建構諧振拓撲

在該電路中使用諧振拓撲可以基本消除開關損耗。在功率晶體管中以陶瓷基片代替金屬基片可以減少噪音，并因此簡化濾波過程。這是因為散熱片沒有與開關MOSFETS的損耗相耦合的電容。這樣不僅提高電源效率，而且使電源可以使用更小的散熱片。另外，使用陶瓷散熱片時的爬電距離比金屬散熱片所需的距離要短，這就進一步節省PCB板的空間。 

2.4 使用開關式MOSFETS代替傳統的輸出整流器

開關式MOSFETS同步整流可以極大地降低功耗，從而提高功效。比如，一個正向電壓為0.5 V的二極管在20 A時的功耗為10 W。而如果使用一個開啟時電阻為14 MΩ的MOSFET，功耗最大只有5.6 W，與二極管的功耗相比小44％。這里也可以用陶瓷陶瓷基片來代替傳統的散熱片。 

2.5 采用集成化的控制電路

集成化控制電路可以減少組件數量、降低制造成本并節省PCB板空間，因此，即使集成電路本身比離散組件更昂貴，從衡量電源的體積大小以及整體性能上來考慮，運用集成電路也是合理的。例如IR1150這種PFC芯片作為單循環控制（OCC）設備使用，就可以在保持電源系統性能的同時大大減少元組件數量。

同樣，可以通過特殊應用芯片來進行主轉換器電壓控制、過電流保護、過電壓保護和過溫度保護，并控制輸出整流器轉換。另外，還可以通過同步單啟動分源、借助邏輯控制關閉電源的抑制電路、“電源狀態良好”信號、備用轉換器控制功能等控制渠道來提高應用的靈活性。當交流電源存在時，備用轉換器可以單獨提供5 V的輸出。

3 優化PCB板的設計與制作

根據從原理圖到PCB板的設計制定科學流程，如圖2所示。

需要注意如下事項：

（1） 濾波電容、電源開關或整流器、電感或變壓器應彼此相鄰地進行放置，調整元件位置使他們之間的電流路徑盡可能短。

（2） 建立開關電源布局應按照如下的流程：放置變壓器、設計電源開關電流回路、設計輸出整流器電流回路、連接到交流電源電路的控制電路、設計輸入電流源回路和輸入濾波器、設計輸出負載回路和輸出濾波器。

（3） 根據電路的功能單元，對電路的全部元器件進行布局要考慮PCB尺寸大小，放置器件時要考慮焊接；以每個功能電路的核心元件為中心進行布局。

（4） 元器件均勻、整齊、緊湊地排列在PCB上，盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接，去耦電容盡量靠近器件的VCC。在高頻下工作的電路，要考慮元器件之間的分布參數。一般電路應盡可能地使元器件平行排列，美觀且易焊裝。

（5） 按照電路的流程安排各個功能電路單元的位置，使布局便于信號流通，并且使信號盡可能保持方向一致。布局的首要原則是保證布線的布通率，移動器件時注意飛線的連接，把有連線關系的器件放在一起。盡可能地減小環路面積以抑制開關電源的輻射干擾。

（6） 復查PCB的內容包括設計規則、層定義、線寬、間距、焊盤、過孔設置，還要重點復查器件布局的合理性，電源、地線網絡的走線，高速時鐘網絡的走線與屏蔽，去耦電容的擺放和連接等。

通過上述系統層面上的分析，立足于現有技術，在最大可能的程度上縮小了AC/DC電源的體積，同時保持了電源的制造成本。如要繼續取得突破，則須在基礎電子元件的研發上下功夫。

參 考 文 獻

［1］Jiayuan Fang，Jin Zhao.The Power of Planes - Low Impedance Power Delivery over Broad Frequencies[J].Printed Circuit Design Manufacturing Magazine，2003.

［2］顧海州，馬雙武.PCB電磁兼容技術[CD2]設計實踐［M］.北京：清華大學出版社，2004.

［3］黃凱.基于電源、地橋的電源網絡布線后優化[J].現代電子技術，2006，29(23):54-55.

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。