无人机AC／DC电源的小型化设计要点

解决 Ｅ ＭＣ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 。
图１ 无 人 机 机 载 ＡＣ／ ＤＣ 电 源 结 构 框 图
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 （ Ｃ Ｃ Ｍ） 操作 ， 可 以 保 持 最 小 的 峰 值 转 换 电 流 和输 入 滤 波器 要 求 。
ｅ ｒ ， ｂ ｙ ｃ ｏ ｍｐ ｏ ｎ ｅ ｎ ｔ ｓ ｒ ｅ ｐ ｌ ａ ｃ ｉ ｎ ｇ， ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｒ ｅ ｂ ｕ ｉ ｌ ｄ ｉ ｎ ｇ ， ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ｓ ｉ ｎ ｔ ｅ ｇ ｒ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ， ＡＣ／ ＤＣ ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｒ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｍｉ ｎ ｉ ｍｉ ｚ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ｋ ｅ ｐ ｔ ｔ ｈ ｅ ｃ Ｏ Ｓ ｔ ｌ ｏ ｗ．
耗 相 比小 ４ ４ 。这 里 也 可 以用 陶 瓷 陶 瓷 基 片 来 代 替 传成化 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
Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｔｈ ｅ ｒ ｅ ｑ ｕ ｉ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ｏ ｆ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｍｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ＡＣ／ ＤＣ ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｒ ｔ ｅ ｒ ｉ ｎ Ｕ ＡＶ ｉ ｓ ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｅ ｄ ． Ｉ ｎ ｔ ｈ ｉ ｓ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ ， ｔ ｈ ｅ ｄ ｉ ｆ ｆ ｉ ｃ ｕ ｌ ｔ ｙ ｏ ｆ ｍｉ ｎ ｉ —
全标准 （ 如 ＵＩ ， Ｃ ＣＥ Ｅ等 ） 及 Ｅ ＭＣ 指 令 的 限 制 （ 如 Ｉ Ｅ Ｃ，
Ｆ Ｃ Ｃ， Ｃ Ｓ Ａ） ， 交流输入 侧必 须加 Ｅ ＭＣ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
２ 设计 的主 要 目标 分析
２ ． １ 使 用 两 阶 式 输 入 滤 波 器 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 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 。
高 功 效 。功 效 越 高 所 需 的 散 热 片 就 越 小 ， 才 能 节 省 系 统
空问 。
电源 成 本 必须 尽 可 能 的 低 无 论 是 原 材 料 成 本 还 是
开 关式 Ｍ（ ） Ｓ Ｆ Ｅ Ｔ Ｓ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 ２ ０ Ａ时 的功 耗 为 １ ０ ｗ 。而 如 果 使 用 一 个 开 启 时 电 阻 为
１ ４ ＭＱ的 Ｍ０Ｓ Ｆ ＥＴ， 功 耗 最 大 只有 ５ ． ６ Ｗ， 与 二 极 管 的功
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２ ０ ０ ８年 第 ２期 惫 第 ２ ６ ５
无人机 Ａ Ｃ ／ Ｄ Ｃ电源的小型化设计
刘长亮 ， 李纯军 ， 成 坚
（ 武 汉 军 械 士 官 学 校 无 人 机 机 电教 研 室 湖 北 武 汉 ４ ３ ０ ０ ７ ５ ）
摘
要： 介 绍 了无人 机 机 载 ＡＣ ／ Ｄ Ｃ 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
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 Ｖ Ｃ Ｃ 。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 Ｐ Ｃ Ｂ的 内容 包 括设 计 规 则 、 层定义 、 线宽、 间
关键词 ： 无人 机 ； Ａ Ｃ ／ Ｄ Ｃ电源； 电源 小 型 化 设 计 ； Ｐ Ｃ Ｂ
中 图分 类 号 ： ＴＮ ７ １ ０
文献 标 识 码 ： Ｂ
文章编号 ： １ ０ ０ ４ —３ ７ ３ Ｘ（ ２ ０ ０ ８ ） ０ ２ —０ ７ ９ — ０ ２
Ｔ ｈ ｅ Ｍｉ ｎ ｉ ｍｉ ｚ ｅ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｉ ｎ ｇ ｆ ｏ ｒ ＡＣ／ ＤＣ Ｃｏ ｎ ｖ ｅ ｒ ｔ ｅ ｒ ｏ ｆ ＵＡＶ
Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ： ＵＡＶ； ＡＣ／ ＤＣ ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｒ ｔ ｅ ｒ ； ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ｐ Ｏ ｗｅ ｒ ； ｍｉ ｎ ｉ ｍｉ ｚ ｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ； ＰＣＢ
ｌ 弓 ｌ 言
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 Ａ Ｃ ／ Ｄ Ｃ 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
进一步节省 Ｐ Ｃ Ｂ板 的 空 问 。
（ 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
Ｍａ ｋ ｉ ｎ ｇ ｉ ｔ ｍｏ ｒ ｅ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ａ ｎ ｄ ｍｏ ｒ ｅ ｆ ｌ ｅ ｘ ｉ ｂ ｌ ｅ ｉ ｓ ｖ ｉ ｔ ａ ｌ ｆ ｏ ｒ ｐ ｒ ｏ ｍｏ ｔ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｃ ａ ｐ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ ＵＡＶ．
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 Ｍ０ Ｓ Ｆ Ｅ Ｔ Ｓ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
Ｌ Ｉ Ｕ Ｃｈ ａ ｎ ｇ ｌ ｉ ａ ｎ ｇ， ＬＩ Ｃｈ ｕ ｎ ｊ ｕ ｎ， ＣＨＥＮＧ Ｊ ｉ ａ ｎ
（ Ｕ ＡＶ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｏ—ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ Ｔ ｅ ａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｇ Ｒｏ ｏ ｍ， Ｗｕ ｈ ａ ｎ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ Ａｃ ａ ｄ ｅ ｍｙ ， Ｗｕ ｈ ａ ｎ ， ４ ３ ０ ０ ７ ５ ． Ｃｈ ｉ ｎ ａ ）
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 。
化 至 少 应 从 以下 几个 方 面 人 手 。
无 人机 机 载 Ａ Ｃ ／ Ｄ Ｃ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 Ａ Ｃ ／ Ｄ Ｃ 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
图 ２ Ｐ ＣＢ 板 的 设 计 与 制 作 流 程
（ 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 ． ３ 在主 变流 器 中采用新 型材料 建构谐 振拓 扑
收稿 日期 ： ２ ０ ０ ７ 一Ｏ ７ —２ ４
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叠圈
刘长亮等 ： 无人机 Ａ Ｃ／ Ｄ Ｃ电源的小型化设计
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