為無人駕駛飛行器構(gòu)建冗余電源總線

無人駕駛飛行器（UAV）未來市場成功的關鍵標準是可靠性。我們希望他們攜帶包裹或?qū)θ丝诔砻艿貐^(qū)進行監(jiān)視。突然意外的動力損失對于空中無人機來說是不可接受的，因為當他們跌落到地面時會有旁觀者受傷的風險。因此，冗余是設計架構(gòu)的重要組成部分，尤其是電力傳輸子系統(tǒng)，因為它不僅可以實現(xiàn)引導系統(tǒng)，還可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)子葉片本身。

通過冗余提高可靠性的可能架構(gòu)是使用兩個或多個單獨的電池組，每個電池組供電一個單獨的DC/DC轉(zhuǎn)換器。如果一個電池或轉(zhuǎn)換器發(fā)生故障，其他電池或轉(zhuǎn)換器可以接管，盡管飛行時間大大縮短。然而，這應足以使無人機進入受控著陸。

N + 1架構(gòu)已被證明是大型系統(tǒng)中一種經(jīng)濟有效的方法，可提供容錯功能。在正常操作條件下一次電源失效的概率非常低，因此在電流共享模式下運行的兩個或三個陣列中增加一個額外的電源不會顯著增加成本。在實踐中，由于尺寸和重量問題，雙冗余1 + 1架構(gòu)可能在無人機設計中受到青睞。

在雙冗余架構(gòu)中，選擇合適的DC/DC非常重要轉(zhuǎn)換器，因為如果一側(cè)發(fā)生故障，電流負載會發(fā)生變化。通常，轉(zhuǎn)換器在較高負載下表現(xiàn)出效率的提高，在接近滿負載時達到峰值。在正常情況下，每個DC/DC轉(zhuǎn)換器的工作負載不到50％，這可能意味著效率下降。多相轉(zhuǎn)換器架構(gòu)可以幫助解決問題。

這種設計使用多個開關電路在滿負載下執(zhí)行轉(zhuǎn)換。隨著負載需求下降，可以關閉不再使用的相位，而剩余的相位則以接近峰值效率運行。

在使用多個轉(zhuǎn)換器的電源電路中，僅僅是簡單的將輸出連接到一起。一個問題是兩個轉(zhuǎn)換器不會平均分配電流需求，并且它存在負載調(diào)節(jié)的問題。如果電源脫機，可能會出現(xiàn)短路故障，導致整個系統(tǒng)發(fā)生故障。 ORing器件用于保護系統(tǒng)免受功率分配問題的影響。

最簡單的形式是，ORing器件是二極管。通過允許電流僅在一個方向流動，ORing二極管將故障與冗余總線隔離，允許系統(tǒng)使用剩余的電源繼續(xù)運行。就其本質(zhì)而言，二極管將瞬間斷開輸入電源的短路。然而，由于效率考慮，傳統(tǒng)的二極管可能不是最合適的選擇，特別是在能量效率方面。在ORing應用中，二極管的大部分工作壽命將用于正向?qū)Ｊ?，由于二極管固有的壓降而耗散功率和熱量。

用N溝道MOSFET調(diào)用更換ORing二極管雖然復雜程度略有提高，但MOSFET的導電性和低壓降提高了效率和冷卻的可能性 - 因此節(jié)省了散熱器的額外重量，盡管很小。事實上，與二極管相比，有源ORing解決方案的功耗可降低10倍。

有一個主動ORing的權(quán)衡。接通時，與二極管不同，它允許電流在源極和漏極之間的任一方向流動。如果輸入電源由于短路而發(fā)生故障，則可以感應出大的反向電流，并且只要MOSFET導通，MOSFET就會通過電流。冗余總線不能長時間暴露在輸入短路中，否則總線電壓將下降并導致系統(tǒng)故障。因此，基于MOSFET的ORing系統(tǒng)必須能夠快速檢測反向電流故障條件。

控制器電路檢測源極和漏極兩端的電壓，以確定流過MOSFET的電流的大小和極性。 MOSFET。柵極控制引腳根據(jù)控制器算法在導通和非導通狀態(tài)之間切換MOSFET。由此產(chǎn)生的行為是整流器的行為 - MOSFET的源極和漏極引腳分別作為二極管的陽極和陰極引腳。

最關鍵的參數(shù)是反向電流閾值：當超過它時提供輸入電源故障的指示。該閾值需要處于允許一致且快速檢測故障的水平。故障的響應時間需要很快，以限制冗余總線上的反向電流量和潛在電壓下降量。

圖1：使用TPS241x系列器件在電源總線上使用ORing控制器。

雖然分立電路可以控制N溝道MOSFET，現(xiàn)成的解決方案，如德州儀器TPS2412和TPS2413，可提供對反向電流的快速響應。 TPS2412和TPS2413主要區(qū)別在于設置MOSFET狀態(tài)的控制環(huán)路。 TPS2412為輸入電壓的較慢變化提供了更溫和的開啟和關閉策略，這也降低了在輕載時執(zhí)行開關循環(huán)的趨勢，這可能發(fā)生在更簡單的僅比較器電路上。這可以使MOSFET在調(diào)節(jié)有效時在輕負載時看起來具有高電阻。當從輕負載條件施加大的階躍負載時，發(fā)生瞬時輸出電壓下降。 TPS2412更適合于可以在中間軌道總線上使用的情況，該總線為下游負載點調(diào)節(jié)器樹供電。如果MOSFET上的電壓大于10 mV，則TPS2413將導通MOSFET，如果閾值變?yōu)樨?，則執(zhí)行快速關斷。對于要實施的關閉，閾值必須是負的，在非常輕的負載下可能并非總是如此。然而，在飛行中，無人機不太可能處于這種情況。輕載條件下的階躍負載在沒有明顯電壓下降的情況下進行處理，這有助于保持輸出總線的穩(wěn)壓。

圖2：Cool-ORing設備的典型用途。

另一種方法是選擇將MOSFET和控制器封裝在一起的封裝器件，例如Vicor的Cool-ORing系列器件。它們將高速ORing MOSFET控制器和極低導通電阻MOSFET組合在一個5 x 7 mm的柵格陣列（LGA）封裝中。這些封裝可實現(xiàn)低至1.5μΩ的典型導通電阻，同時可在寬工作溫度范圍內(nèi)提供高達24 A的連續(xù)負載電流。該設計可用于低壓，高端應用，通過將支持電路封裝在一起，與分立式解決方案相比，可節(jié)省電路板空間。這些組件可以快速響應80 ns的故障條件。

通過為冗余行為提供高效支持，ORing架構(gòu)中的MOSFET控制器代表了構(gòu)建可靠無人機的解決方案的一部分。結(jié)合高效率的DC/DC轉(zhuǎn)換器將有助于使它們在空中傳播更長時間。

圖3：傳統(tǒng)二極管和MOSFET控制器之間的功率效率比較，以Cool-ORing系列為例。