1.前言

越來越多的無人機應(yīng)用需要高單元數(shù)的電池組來支持更長的飛行距離和飛行時間。例如，考慮工作電壓為 50V 至 60V 的 14 節(jié)串聯(lián)鋰離子 (Li-ion) 電池組架構(gòu)。在為此類系統(tǒng)設(shè)計 DC/DC 電源時，挑戰(zhàn)之一是如何選擇最大輸入電壓額定值。一些工程師在圖 1 中指定為 V M的節(jié)點看到過大的電壓偏移，但可能不知道它的起源或如何處理它。

2. 無人機電源介紹

無人機電源管理，是指如何將電源有效分配給系統(tǒng)的不同組件。電源管理對于依賴電池電源的移動式設(shè)備至關(guān)重要。通過降低組件閑置時的能耗，優(yōu)秀的電源管理系統(tǒng)能夠?qū)㈦姵貕勖娱L兩倍或三倍。電源管理技術(shù)也稱做電源控制技術(shù)。

目前市場上主要的電源管理器件主要包括分立式的電源管理芯片PMIC和集成電源管理單元PMU。電源管理芯片(Power Management Integrated Circuits)，是在電子設(shè)備系統(tǒng)中擔負起對電能的變換、分配、檢測及其他電能管理的職責的芯片。主要負責識別CPU供電幅值，產(chǎn)生相應(yīng)的短矩波，推動后級電路進行功率輸出。電源管理芯片既有直插式封裝的，也有表面黏貼式封裝的。電源管理芯片的應(yīng)用范圍十分廣泛，發(fā)展電源管理芯片對于提高整機性能具有重要意義，對電源管理芯片的選擇與系統(tǒng)的需求直接相關(guān)。

電源管理的范疇比較廣，既包括單獨的電能變換(主要是直流到直流，即DC/DC)，單獨的電能分配和檢測，也包括電能變換和電能管理相結(jié)合的系統(tǒng)。相應(yīng)的，電源管理芯片的分類也包括這些方面，比如線性電源芯片、電壓基準芯片、開關(guān)電源芯片、LCD驅(qū)動芯片、 LED驅(qū)動芯片、電壓檢測芯片、電池充電管理芯片等。如果所設(shè)計的電路要求電源有高的噪音和紋波抑制，要求占用PCB板面積小(如手機等手持電子產(chǎn)品)，電路電源不允許使用電感器(如手機)，電源需要具有瞬時校準和輸出狀態(tài)自檢功能，要求穩(wěn)壓器壓降及自身功耗低，線路成本低且方案簡單，那么線性電源是最恰當?shù)倪x擇。

圖 1：無人機系統(tǒng)框圖

首先，讓我解釋一下電機驅(qū)動器的操作模式。如圖 2 示意性所示，電池組通過指定為回路 1 的正向電流路徑為有刷直流 (BDC) 電機 M 1供電，并且在此期間電能轉(zhuǎn)換為電機的旋轉(zhuǎn)動能。反之，當電動機減速或改變旋轉(zhuǎn)方向時，就起到發(fā)電機的作用；由此產(chǎn)生的反電動勢（EMF） 通過驅(qū)動器通過電流回路 2 將能量返回到輸入。

盡管這種行為在提高整體系統(tǒng)效率方面似乎是有利的，但再生行為可能會導致大的反向電流和隨之而來的電源輸入電壓過沖。

圖 2：BDC 電機 H 橋驅(qū)動器的正向電流路徑

表 1 列出了不同電機類型的典型電壓額定裕度。過沖電壓范圍（相對于標稱電池工作電壓）還取決于無人機的飛行動力學和每個螺旋槳推力和方向變化的控制算法。

表 1：電機驅(qū)動器額定電壓要求

為了管理此電壓過沖并確保系統(tǒng)安全運行，您可以使用大容量電解電容器 C 1來吸收能量，或者添加瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 二極管將電壓鉗位到安全范圍.

以 2200uf/63v 電解電容器為例。它的直徑和高度分別為 18 毫米和 33 毫米——在占地面積和輪廓是重要限制的無人機實施中相當大。這種電容器的 1,000 個單價從 Digi-Key 等分銷商處購買的價格超過 1.00 美元。更重要的是，這種電解電容器具有有限的額定壽命，代表了系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)健性方面的公認限制。TVS 夾具還會為整個系統(tǒng)帶來空間、成本和可靠性問題。

另一種選擇是使用具有寬輸入電壓范圍和高線路瞬變抗擾度的DC/DC轉(zhuǎn)換器解決方案，以適應(yīng)電機再生動作期間的全電壓偏移。

選擇具有寬 V IN范圍的轉(zhuǎn)換器，例如TI的LM5161 1a同步降壓轉(zhuǎn)換器 （參見圖 3），您可以消除大容量儲能或 TVS 鉗位，從而節(jié)省時間、成本和電路板空間。此外，LM5161 轉(zhuǎn)換器在平臺設(shè)計方面提供了很大程度的靈活性。它不僅支持非隔離輸出，而且轉(zhuǎn)換器還可以提供一個或多個隔離輸出——使用Fly-BACK電路實現(xiàn)——如果有必要打破接地回路或去耦無人機系統(tǒng)中的不同電壓域。如果 9V 和 13V 之間的 VCC 偏置軌可用，LM5161 的輸入靜態(tài)電流在 50V 輸入時會降低至 325μA，以在待機工作條件下維持電池壽命。

圖 3：LM5161 降壓轉(zhuǎn)換器原理圖

3.總結(jié)

在持續(xù)關(guān)注高可靠性、小尺寸和低總體物料清單成本的同時，寬 V IN同步降壓轉(zhuǎn)換器與無人機應(yīng)用的各種電源管理電路無縫對接。當機械能從電機循環(huán)返回輸入電源時，所提出的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器在瞬態(tài)電壓事件期間可以方便地提供高效性能、拓撲靈活性和增強的電路魯棒性。