无人机AC/DC电源的小型化设计

摘 要：介绍了无人机机载AC/DC电源的发展要求，分析该种电源小型化设计的难点所在，运用系统优化设计的方法分析电源的各功能部件。通过采用替换元件、重建结构、集成电路等手段使电源系统保持成本尽可能低的同时做到体积最小。实现了应用的高效率和灵活性，对我军无人机整体性能的进一步提升具有十分重要的意义。

关键词：无人机；AC/DC电源；电源小型化设计；PCB

中图分类号：TN710 文献标识码：B 文章编号：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)オ

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オ

1 引 言

无人机机载AC/DC电源输入发电机产生的交流电，经整流、滤波后得到满足仪器要求的直流电。无人机系统功能的不断增强对其AC/DC电源也提出了向轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰发展的要求，而在该电源系统中，体积相对较大的滤波电容器是必不可少的，同时因遇到安全标准（如UL，CCEE等）及EMC指令的限制（如IEC，FCC，CSA），交流输入侧必须加EMC滤波及使用符合安全标准的元件，这样就更加限制了电源体积的小型化。

另外，由于内部的高频、高压、大电流开关动作，使得解决EMC电磁兼容问题难度加大，同时电源的工作消耗增大，也限制了AC/DC变换器模块化的进程，必须采用系统优化设计方法才能满足小型化的实际需要。

2 设计的主要目标分析

电源功效必须尽可能的高 虽然在实际应用中最耗能的是微处理器，但是技术的进步仍然要求电源进一步提高功效。功效越高所需的散热片就越小，才能节省系统空间。

电源成本必须尽可能的低 无论是原材料成本还是制造复杂性方面。考虑功能的简单设计是重要因素。控制和报警信号、和同类设备的均流以及在各种交流输入情况下保持稳定性能等都是非常重要的。

由图1所示的AC/DC电源电路结构框图可以看出，要在保证性能和功能的前提下将电源的大小和成本最小化至少应从以下几个方面入手。

2.1 使用两阶式输入滤波器

使用一个两阶式滤波器可以使电源外形最小化，并实现高共模和微分降噪。如果垂直堆叠组件，则可以节省板空间，同时改进了冷却。

2.2 在功率因数校正电路（PFC）中考虑采用碳化硅二极管

由于碳化硅二极管的成本有所下降，可以将其作为降低成本和电源大小的一个途径。碳化硅二极管的反向电流特性使系统可以不需要缓冲电路，因此可以节省5~6个组件。同时由于碳化硅二极管的应用，功效可提高1％。若使用阶梯感应器，则可在高输入线时提供高感应，在低输入线时支持最可能大的流量密度。在输入范围中使用连续感应模式（CCM）操作，可以保持最小的峰值转换电流和输入滤波器要求。

2.3 在主变流器中采用新型材料建构谐振拓扑

在该电路中使用谐振拓扑可以基本消除开关损耗。在功率晶体管中以陶瓷基片代替金属基片可以减少噪音，并因此简化滤波过程。这是因为散热片没有与开关MOSFETS的损耗相耦合的电容。这样不仅提高电源效率，而且使电源可以使用更小的散热片。另外，使用陶瓷散热片时的爬电距离比金属散热片所需的距离要短，这就进一步节省PCB板的空间。

2.4 使用开关式MOSFETS代替传统的输出整流器

开关式MOSFETS同步整流可以极大地降低功耗，从而提高功效。比如，一个正向电压为0.5 V的二极管在20 A时的功耗为10 W。而如果使用一个开启时电阻为14 MΩ的MOSFET，功耗最大只有5.6 W，与二极管的功耗相比小44％。这里也可以用陶瓷陶瓷基片来代替传统的散热片。

2.5 采用集成化的控制电路

集成化控制电路可以减少组件数量、降低制造成本并节省PCB板空间，因此，即使集成电路本身比离散组件更昂贵，从衡量电源的体积大小以及整体性能上来考虑，运用集成电路也是合理的。例如IR1150这种PFC芯片作为单循环控制（OCC）设备使用，就可以在保持电源系统性能的同时大大减少元组件数量。

同样，可以通过特殊应用芯片来进行主转换器电压控制、过电流保护、过电压保护和过温度保护，并控制输出整流器转换。另外，还可以通过同步单启动分源、借助逻辑控制关闭电源的抑制电路、“电源状态良好”信号、备用转换器控制功能等控制渠道来提高应用的灵活性。当交流电源存在时，备用转换器可以单独提供5 V的输出。

3 优化PCB板的设计与制作

根据从原理图到PCB板的设计制定科学流程，如图2所示。

需要注意如下事项：

（1） 滤波电容、电源开关或整流器、电感或变压器应彼此相邻地进行放置，调整元件位置使他们之间的电流路径尽可能短。

（2） 建立开关电源布局应按照如下的流程：放置变压器、设计电源开关电流回路、设计输出整流器电流回路、连接到交流电源电路的控制电路、设计输入电流源回路和输入滤波器、设计输出负载回路和输出滤波器。

（3） 根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局要考虑PCB尺寸大小，放置器件时要考虑焊接；以每个功能电路的核心元件为中心进行布局。

（4） 元器件均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上，尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接,去耦电容尽量靠近器件的VCC。在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能地使元器件平行排列，美观且易焊装。

（5） 按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并且使信号尽可能保持方向一致。布局的首要原则是保证布线的布通率，移动器件时注意飞线的连接，把有连线关系的器件放在一起。尽可能地减小环路面积以抑制开关电源的辐射干扰。

（6） 复查PCB的内容包括设计规则、层定义、线宽、间距、焊盘、过孔设置，还要重点复查器件布局的合理性，电源、地线网络的走线，高速时钟网络的走线与屏蔽，去耦电容的摆放和连接等。

通过上述系统层面上的分析，立足于现有技术，在最大可能的程度上缩小了AC/DC电源的体积，同时保持了电源的制造成本。如要继续取得突破，则须在基础电子元件的研发上下功夫。

参 考 文 献

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

［2］顾海州,马双武.PCB电磁兼容技术[CD2]设计实践［M］.北京：清华大学出版社，2004.

［3］黄凯.基于电源、地桥的电源网络布线后优化[J].现代电子技术,2006,29(23):54-55.

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。