Hoe efficiënte modulaire voedingsnetwerken voor tethered UAV's te ontwerpen

Onbemande luchtvaartuigen (UAV's) of "drones" worden steeds vaker gebruikt voor zware toepassingen zoals verkenning op de grond voor het leger, brandbestrijding en landbouw. Voor deze en vele andere toepassingen moet de drone lange tijd in de lucht zijn, dus batterijen zijn geen optie. In plaats daarvan wordt de drone via een tethered kabel van stroom voorzien voor de duur van zijn vlucht.

Tethers brengen echter nieuwe uitdagingen met zich mee. Een dikkere tether biedt een lagere elektrische weerstand, maar belast de drone meer, waardoor zijn draagvermogen wordt beperkt. Dunne kabels verhogen de elektrische weerstand, waardoor de vermogensdissipatie en de spanningsval over de doorgaans lange lengtes van dronetethers onaanvaardbaar zijn. Ingenieurs proberen de verliezen die gepaard gaan met dunnere kabels te overwinnen door de tetherspanning te verhogen tot 800 volt. Een dergelijke verhoging helpt de stroom voor een gegeven vermogen te verlagen.

De uitdaging wordt dan het omgaan met de hoge spanning in de drone. Het stroomdistributienetwerk van de drone moet in staat zijn de hoge spanning op te nemen en deze efficiënt te verlagen tot de lagere spanningen die de systemen van de UAV nodig hebben. Alle oplossingen voor energiebeheer moeten licht en compact zijn om de impact op het laadvermogen van het voertuig tot een minimum te beperken.

Dit artikel bespreekt de voordelen van hoogspanningsvoedingssystemen voor tethered drones. Vervolgens wordt uitgelegd waarom busconvertormodules met hoog rendement en hoge vermogensdichtheid (BCM's) en spanningsconvertors met nulspanningsschakeling (ZVS) met step-down ("buck") een goede optie zijn bij het ontwerpen van stroomdistributienetwerken voor tethered UAV-toepassingen. Voorbeeld BCM's en ZVS-buckconvertors van Vicor worden geïntroduceerd en gebruikt om te laten zien hoe een licht, maar efficiënt voedingsnetwerk kan worden ontworpen.

Hogere spanningen maken lichtere kabels mogelijk

Tethers bevrijden ontwerpers van de beperkingen die batterijen aan drones opleggen (Afbeelding 1). De UAV's kunnen gedurende lange perioden in de lucht blijven, in de veronderstelling dat er stroom op de grond beschikbaar is, waardoor zij kunnen worden ingezet als observatieplatform of radiorelais over de horizon. Het nadeel is dat de drone een potentieel zware kabel in de lucht moet hijsen, wat zowel het operationele bereik als de draagkracht voor nuttige ladingen zoals camera's of radioapparatuur kan beperken.

Afbeelding 1: Drones kunnen lange tijd in de lucht blijven met behulp van stroom die via een tether wordt geleverd. (Bron afbeelding: Vicor)

Commerciële drones hebben verschillende gelijkspanningen nodig voor hun verschillende systemen. Zo is 48 volt gebruikelijk voor motors, terwijl 12, 5 en 3,3 volt typisch zijn voor sensors, actuators en besturingselektronica. Dunne, lichte tethers helpen de gewichtsbelasting van de drone te beperken, maar de hogere weerstand van de kabel (de weerstand neemt toe naarmate de kabeldoorsnede afneemt) kan leiden tot een onaanvaardbaar hoge spanningsval (gedefinieerd als een spanningsval van meer dan 3 tot 5 procent van de bronspanning aan het uiteinde van de kabel) en vermogensverlies over lange kabeltrajecten bij gebruik van een 48-volt voeding.

Het spanningsverlies en de vermogensdissipatie van de kabel zijn evenredig met de stroom die hij draagt en niet met de spanning. Zo zal een commerciële drone die een constant vermogen van 1,5 kilowatt (kW) nodig heeft dat via een 48-volt voeding wordt gevoed, een stroom van 1500/48 = 31,25 ampère (A) nodig hebben. Hetzelfde vermogen kan worden geleverd door de spanning te verhogen, waardoor de benodigde stroom en dus de spanningsval en de vermogensdissipatie dalen. Voor een voeding van 800 volt is bijvoorbeeld een stroom van slechts 1500/800 = 1,9 A nodig. Met een dergelijke voorziening kan de ontwerper veilig een lichtgewicht kabel gebruiken.

Een energieleveringsnetwerk voor een drone

Om te kunnen profiteren van hogere spanningen en lichtere tethers moeten ingenieurs stroomdistributienetwerken ontwerpen die de hoge spanningen in de tether veilig en efficiënt kunnen terugbrengen tot de werkspanningen die nodig zijn voor de systemen van de drone.

Afbeelding 2 toont een voorbeeld van een dergelijk netwerk. Dit netwerk is opgebouwd uit BCM's en ZVS-buckconvertors van Vicor.

Afbeelding 2: Een stroomdistributienetwerk voor een tethered drone. Merk op hoe de 48 volt-bus die voor systemen op de grond wordt gebruikt, in de tether wordt opgevoerd tot 800 volt en vervolgens bij de drone wordt teruggebracht tot 48 volt. (Bron afbeelding: Vicor)

In dit voorbeeld zet een BCM de driefasige 208 volt wisselstroomvoeding om in 48 volt gelijkstroom voor de computersystemen van de drone op de grond. ZVS-buckconvertors reduceren de 48 volt voeding tot de 12, 5 en 3,3 volt die door de afzonderlijke aardse apparaten worden gebruikt. De 48 volt gelijkstroomvoeding wordt dan door een tweede BCM opgevoerd tot 800 volt om de spanningsval en het vermogensverlies in de tether tot een minimum te beperken.

Bij de drone brengt een derde BCM dan de spanning terug tot 48 volt. Het stroomdistributienetwerk in de drone omvat verdere buckconvertors om camera's, sensors en logische apparaten van de juiste spanning te voorzien.

De voorgestelde BCM's voor deze toepassing zijn Vicor's BCM4414VD1E5135C02 voor de initiële 208 volt AC naar 48 volt DC-conversie, en de BCM4414VH0E5035M02 voor de 48 volt DC naar 800 volt DC en terugconversie.

De BCM4414VD1E5135C02 werkt op een bus van 260 tot 400 volt en biedt een lage kant uitgang van 32,5 tot 51,3 volt. Het apparaat biedt tot 35 A continue stroom aan de lage kant, tot 49 watt per kubieke centimeter (W/cm³) vermogensdichtheid en 97,7% piekefficiëntie (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Vicor's busconvertormodules vertonen een goed rendement over een breed laag-zijde stroombereik (T_CASE = 25 ˚C). (Bron afbeelding: Vicor)

De BCM4414VH0E5035M02 werkt op een bus van 500 tot 800 volt en biedt een lage zijde uitgang van 31,3 tot 50,0 volt, met een maximaal continu vermogen van 1,5 kW. De continue lage stroom, vermogensdichtheid en piekefficiëntie zijn identiek aan die van zijn zusterproduct. De BCM heeft een behuizing van 110,5 x 35,5 x 9,4 millimeter (mm) en weegt 145 gram (g).

De Vicor BCM's bieden ook flexibele opties voor thermisch beheer met zeer lage thermische impedanties aan de boven- en onderzijde. Door de apparaten te gebruiken, kan de ontwerper van het energiesysteem de omvang en het gewicht van de tether, de grondvoeding en de drone verminderen.

De Vicor BCM's zijn DC-naar-DC-voedingen, dus de aanvankelijke driefasen input van 208 volt AC moet worden omgezet in DC vóór de eerste BCM in Afbeelding 2. Een geschikt apparaat voor de wisselstroomgelijkrichting is een Vicor wisselstroomingangsmodule (AIM) zoals de AIM1714VB6MC7D5C00 (Afbeelding 4). Het AIM-apparaat kan een wisselstroomingang van 85 tot 264 volt accepteren en een gelijkgerichte wisselstroomuitgang leveren met een stroom van maximaal 5,3 A en een vermogen tot 450 watt.

Afbeelding 4: De BCM heeft een gelijkgerichte wisselstroomingang nodig. Een apparaat zoals de driefasige AIM-module van Vicor biedt een oplossing. (Bron afbeelding: Vicor)

Buckregeling met hoge vermogensdichtheid en flexibiliteit

Zodra de BCM in het grondstation of de drone de spanning heeft geregeld tot 48 volt gelijkstroom, zijn ZVS buck converters nodig om de spanning verder te verlagen voor de toevoerleidingen naar de verschillende systemen. Met name in de drone moeten de buckconvertors een hoge vermogensdichtheid hebben en zo efficiënt zijn dat zij een compacte en lichte voeding vormen. ZVS-buckregelaars zijn zeer geschikt voor deze taak.

De schakelverliezen in conventionele spanningsregelaar-MOSFET's zijn een belangrijke bron van inefficiëntie en hebben een negatief effect op de vermogensdichtheid. ZVS pakt deze verliezen aan en is een bijzonder voordeel voor buckconvertors met een relatief hoge ingangsspanning.

Het mechanisme van ZVS (ook bekend als "zacht schakelen") is complex, maar kan het best worden gedefinieerd als conventionele vermogensomzetting met pulsbreedtemodulatie (PWM) tijdens de inschakelduur van de MOSFET, maar met "resonante" schakelovergangen. De uitgangsspanning wordt geregeld door de effectieve dutycycle (en dus de "aan"-tijd) aan te passen door de conversiefrequentie van de schakelende regelaar te variëren.

Tijdens de ZVS-uitschakeltijd resoneert het L-C circuit van de regelaar, waardoor de spanning over de schakelaar van nul naar zijn piek gaat en weer daalt naar nul wanneer de schakelaar opnieuw kan worden geactiveerd. Daarbij zijn de overgangsverliezen van de MOSFET's van de schakelende regelaar nul, ongeacht de werkingsfrequentie en de ingangsspanning, wat een aanzienlijke energiebesparing en een aanzienlijke verbetering van de efficiëntie betekent. (Zie "Een overzicht van nulspanningsschakeling en het belang daarvan voor de spanningsregeling").

Vicor produceert een reeks ZVS-buckregelaars geïntegreerd met regelcircuits, vermogenshalfgeleiders en ondersteunende componenten in high-density LGA, BGA en system in package (SiP) apparaten. De schakelende spanningsregelaars vormen een aanvulling op de BCM's die in andere delen van het stroomverdelingscircuit van de drone worden gebruikt. De ZVS-buckregelaars bieden een goede vermogensdichtheid en flexibiliteit voor hoog-efficiënte point-of-load (PoL) DC-naar-DC-regeling. Zij kunnen worden gebruikt om de 48 volt bus efficiënt terug te brengen tot 3,3, 5 en 12 volt voor de andere drone-subsystemen.

Voorbeelden van ZVS-buckregelaars zijn de PI352x-00-familie. De PI352x-00-regelaars vereisen slechts een externe spoel, twee spanningsselectieweerstanden en een minimaal aantal condensators om een complete DC-DC-switch-mode buckregelaar te vormen. Alle regelaars werken met een ingang van 30 tot 60 volt. Er zijn drie apparaten in de familie: de PI3523-00, die een nominale 3,3 volt uitgang biedt (2,2 tot 4 volt bereik) en tot 22 A; de PI3525-00, die een nominale 5,0 volt uitgang biedt (4 tot 6,5 volt bereik) en tot 20 A; en de PI3526-00, die een nominale 12 volt uitgang biedt (6,5 tot 14 volt bereik) en tot 18 A. De apparaten worden geleverd in een LGA SiP van 10 x 14 x 2,56 mm.

Toevoegen van ZVS-regelaars aan het vermogensnetwerk

Er is enig ontwerpwerk nodig om de prestaties van de ZVS-buckregelaars in het dronevoedingsdistributienetwerk te optimaliseren. Afbeelding 5 toont de externe componenten die nodig zijn voor elk lid van de PI352x-00-familie.

Afbeelding 5: De Vicor ZVS-buckregelaar vereist een externe spoel, een weerstandsdistributienetwerk om de uitgangsspanning in te stellen, alsmede condensators voor filtering. (Bron afbeelding: Vicor)

De apparaten hebben elk een externe spoel nodig. Vicor heeft de inductiewaarde voor de energieopslag berekend om de efficiëntie te maximaliseren. Voor de regelaars PI3523 en PI3525 wordt een spoel van 230 nanohenry (nH) aanbevolen, terwijl voor de P13526 een spoel van 480 nH wordt aanbevolen.

Terwijl elk lid van de PI352x-00-familie direct de 48 volt DC ingang van de respectievelijke BCM kan verwerken (het ingangsbereik voor de buckregelaars is 30 tot 60 volt DC), vereist het instellen van de uitgangsspanning de selectie van uitgangsweerstanden -REA1 en REA2- die samen een weerstandsdelernetwerk vormen.

Ongeacht de uitgangsspanning moet REA2 worden ingesteld op 1 kilohm (kΩ) voor de beste ruisimmuniteit. De waarde van REA1 kan dan worden berekend aan de hand van de volgende formule:

Naast de inductorwaarden beveelt Vicor ook waarden aan voor de C_IN- en C_{OUT-condensators} om een goede opstart en hoogfrequente ontkoppeling voor de eindtrap te garanderen. De PI352x-00-familie onttrekt bijna alle hoogfrequente stroom aan zijn keramische condensators met lage impedantie wanneer de belangrijkste hoog-zijde MOSFET's geleiden. Gedurende de tijd dat de MOSFET's uitgeschakeld zijn, worden de condensatoren bijgevuld vanuit de bron. Tabel 1 bevat de condensatorwaarden en de daaruit voortvloeiende rimpelstromen en -spanningen.

Tabel 1: Aanbevolen waarden voor de Vicor P1352x ingangs- en uitgangscondensatoren bij nominale lijnspanning en nominale trim. (Bron: Vicor)

Voor een optimale efficiëntie en lage elektromagnetische interferentie (EMI) met de PI352x-00 familie is een minimale spoorweerstand en een hoge stroomlusretour, samen met de juiste plaatsing van componenten, essentieel. Figuur 6 toont de aanbevolen lay-out voor de regelaar en de externe componenten. Dit is de lay-out die door de PI3526-00-EVAL1 PI352x-00 evaluatiekaart wordt aangenomen.

Figuur 6: Optimale lay-out voor de Vicor ZVS-regelaar, spoel en ingangs- en uitgangscondensatoren. (Bron afbeelding: Vicor)

De blauwe lus in figuur 6 geeft het nauwe pad aan tussen de ingangs- en uitgangscondensatoren (en _VIN en _VOUT) voor de hoge AC-retourstroom van de regelaar, wat de efficiëntie ten goede komt.

Conclusie

Om het bereik en het laadvermogen van drones te optimaliseren, hebben ingenieurs zich gewend tot hoogspanningstethers. Deze minimaliseren de vermogensdissipatie en spanningsval in de kabels. De hoge tetherspanningen moeten echter veilig en efficiënt worden geregeld tot busspanningen, en vervolgens verder worden teruggebracht tot de voedingsspanningen die de elektronische systemen van de drone nodig hebben.

Hoge vermogensdichtheid en efficiënte BCM's van Vicor bieden een eenvoudig te implementeren oplossing voor het verminderen en versterken van de spanningen tussen het grondstation, de tether en de drone. De BCM's worden aangevuld met ZVS buck converters met laag schakelverlies, die een rendement van 97% bieden bij het terugbrengen van de busspanning naar de 3,3, 5 en 12 volt die nodig zijn voor de verschillende subsystemen van de drone.