为什么宽 VIN DCDC 转换器非常适合高单元数电池供电的无人机

1.前言

越来越多的无人机应用需要高单元数的电池组来支持更长的飞行距离和飞行时间。例如，考虑工作电压为 50V 至 60V 的 14 节串联锂离子 (Li-ion) 电池组架构。在为此类系统设计 DC/DC 电源时，挑战之一是如何选择最大输入电压额定值。一些工程师在图 1 中指定为 V M的节点看到过大的电压偏移，但可能不知道它的起源或如何处理它。

2. 无人机电源介绍

无人机电源管理，是指如何将电源有效分配给系统的不同组件。电源管理对于依赖电池电源的移动式设备至关重要。通过降低组件闲置时的能耗，优秀的电源管理系统能够将电池寿命延长两倍或三倍。电源管理技术也称做电源控制技术。

目前市场上主要的电源管理器件主要包括分立式的电源管理芯片PMIC和集成电源管理单元PMU。电源管理芯片(Power Management Integrated Circuits)，是在电子设备系统中担负起对电能的变换、分配、检测及其他电能管理的职责的芯片。主要负责识别CPU供电幅值，产生相应的短矩波，推动后级电路进行功率输出。电源管理芯片既有直插式封装的，也有表面黏贴式封装的。电源管理芯片的应用范围十分广泛，发展电源管理芯片对于提高整机性能具有重要意义，对电源管理芯片的选择与系统的需求直接相关。

电源管理的范畴比较广，既包括单独的电能变换(主要是直流到直流，即DC/DC)，单独的电能分配和检测，也包括电能变换和电能管理相结合的系统。相应的，电源管理芯片的分类也包括这些方面，比如线性电源芯片、电压基准芯片、开关电源芯片、LCD驱动芯片、 LED驱动芯片、电压检测芯片、电池充电管理芯片等。如果所设计的电路要求电源有高的噪音和纹波抑制，要求占用PCB板面积小(如手机等手持电子产品)，电路电源不允许使用电感器(如手机)，电源需要具有瞬时校准和输出状态自检功能，要求稳压器压降及自身功耗低，线路成本低且方案简单，那么线性电源是最恰当的选择。

图 1：无人机系统框图

首先，让我解释一下电机驱动器的操作模式。如图 2 示意性所示，电池组通过指定为回路 1 的正向电流路径为有刷直流 (BDC) 电机 M 1供电，并且在此期间电能转换为电机的旋转动能。反之，当电动机减速或改变旋转方向时，就起到发电机的作用；由此产生的反电动势（EMF） 通过驱动器通过电流回路 2 将能量返回到输入。

尽管这种行为在提高整体系统效率方面似乎是有利的，但再生行为可能会导致大的反向电流和随之而来的电源输入电压过冲。

图 2：BDC 电机 H 桥驱动器的正向电流路径

表 1 列出了不同电机类型的典型电压额定裕度。过冲电压范围（相对于标称电池工作电压）还取决于无人机的飞行动力学和每个螺旋桨推力和方向变化的控制算法。

表 1：电机驱动器额定电压要求

为了管理此电压过冲并确保系统安全运行，您可以使用大容量电解电容器 C 1来吸收能量，或者添加瞬态电压抑制器 (TVS) 二极管将电压钳位到安全范围.

以 2200uf/63v 电解电容器为例。它的直径和高度分别为 18 毫米和 33 毫米——在占地面积和轮廓是重要限制的无人机实施中相当大。这种电容器的 1,000 个单价从 Digi-Key 等分销商处购买的价格超过 1.00 美元。更重要的是，这种电解电容器具有有限的额定寿命，代表了系统可靠性和稳健性方面的公认限制。TVS 夹具还会为整个系统带来空间、成本和可靠性问题。

另一种选择是使用具有宽输入电压范围和高线路瞬变抗扰度的DC/DC转换器解决方案，以适应电机再生动作期间的全电压偏移。

选择具有宽 V IN范围的转换器，例如TI的LM5161 1a同步降压转换器 （参见图 3），您可以消除大容量储能或 TVS 钳位，从而节省时间、成本和电路板空间。此外，LM5161 转换器在平台设计方面提供了很大程度的灵活性。它不仅支持非隔离输出，而且转换器还可以提供一个或多个隔离输出——使用Fly-BACK电路实现——如果有必要打破接地回路或去耦无人机系统中的不同电压域。如果 9V 和 13V 之间的 VCC 偏置轨可用，LM5161 的输入静态电流在 50V 输入时会降低至 325µA，以在待机工作条件下维持电池寿命。

图 3：LM5161 降压转换器原理图

3.总结

在持续关注高可靠性、小尺寸和低总体物料清单成本的同时，宽 V IN同步降压转换器与无人机应用的各种电源管理电路无缝对接。当机械能从电机循环返回输入电源时，所提出的 DC/DC 转换器在瞬态电压事件期间可以方便地提供高效性能、拓扑灵活性和增强的电路鲁棒性。