כיצד לתכנן רשתות אספקת כוח מודולריות יעילות עבור כטבמים קשורים לקרקע בכבל (Tethered UAVs)

כלי טיס לא-מאוישים (UAVs) או “מטוסים ללא טיס” משמשים יותר ויותר עבור יישומים כבדים (heavy-duty) כגון סיור שטח עבור הצבא, כיבוי אש וחקלאות. יישומים אלה ורבים אחרים דורשים שהמטוס ללא טיס ישהה באוויר פרקי-זמן ארוכים, כך שסוללות אינן מהוות אופציה. במקום סוללות, המל"ט מקבל אספקת-כוח דרך כבל קשירה למשך טיסתו.

אולם, כבלי קשירה (tethers) מציגים אתגרים חדשים. כבל קשירה‏ עבה יותר מציע התנגדות חשמלית נמוכה יותר אך מציב עומס‏ גדול יותר על המטוס ללא טיס, תוך הגבלת כושר הנשיאה שלו. כבלים דקים מגדילים את ההתנגדות החשמלית, גורמים לפיזור הספק בלתי קביל וירידת מתח לאורך כבל הקשירה הארוך בדרך כלל של המל"ט. מהנדסים מחפשים להתגבר על ההפסדים הקשורים בכבלים דקים יותר על ידי הגדלת מתח כבל הקשירה עד ל-800 וולט. הגדלה כזאת עוזרת להנמיך את הזרם עבור דרישת הספק נתונה.‏

האתגר אחר כך עובר לטיפול במתח הגבוה במטוס ללא טיס. רשת חלוקת הכוח של המטוס ללא טיס חייב להיות מסוגל לקחת את המתח הגבוה ולהוריד אותו למתחים הנמוכים יותר הנדרשים על ידי המערכות של ה-UAV. כל פתרונות ניהול ההספק חייבים להיות קלי משקל וקומפקטיים כדי להקטין למינימום את ההשפעה על כושר נשיאת המטען של כלי הטיס.

מאמר זה דן ביתרונות של מערכות אספקת-כוח מתח-גבוה עבור מל"טים קשורים לקרקע בכבל. אחר כך המאמר מסביר מדוע מודולי המרת אפיק (BCMs) נצילות-גבוהה וצפיפות-הספק-גבוהה וממירים מורידי מתח (“Buck”) מיתוג מתח-אפס (ZVS‏) הם אופציה טובה כשמתכננים רשתות חלוקת כוח עבור יישומי כטב"מים קשורים לקרקע בכבל.‏ מוצגים מודולי BCM וממירי Buck‏ ZVS‏ דוגמה מבית Vicor והשימוש בהם כדי לסייע להראות כיצד לתכנן רשת אספקת-כוח קלת משקל ‏ועם זאת נצילה.

מתחים גבוהים יותר מאפשרים כבלים קלים יותר

כבלי קשירה משחררים מתכננים מהמגבלות שסוללות מציבות על מל"טים (איור 1‏). הכטב"מים יכולים להישאר באוויר לפרקי-זמן ארוכים, בהנחה שקיימת אספקת-כוח מבסיס-קרקעי המאפשרת להם לפעול ביישומים כגון פלטפורמות תצפית או ממסרי רדיו מעבר-לאופק. החיסרון הוא שהמטוס ללא טיס חייב‏ להרים למעלה כבל כבד פוטנציאלית שיכול להגביל את טווח הפעולה שלו כמו גם את כושר הנשיאה של מטען יעודי כגון מצלמות או ציוד רדיו.

איור 1‏: מל"טים יכולים להישאר באוויר לפרקי-זמן ארוכים תוך שימוש במתח המסופק דרך כבלי קשירה לקרקע. (מקור תמונה: Vicor)

מטוסים ללא טיס מסחריים דורשים מספר מתחי DC עבור המערכות השונות שלהם. לדוגמה, 48 וולט הוא נפוץ עבור מנועים, בעוד 12‏, ‏5‏ ו-3.3 וולט הם אופייניים עבור חיישנים, מפעילים (Actuators‏) ואלקטרוניקה של בקרה. כבלי קשירה דקים, קלי משקל, עוזרים להגביל את עומס המשקל על המל"ט, אך ההתנגדות הגבוהה יותר של הכבל (ההתנגדות גדלה עם קיטון חתך-הרוחב של הכבל) יכולה לגרום‏ לנפילת מתח גבוהה בלתי קבילה (מוגדרת כירידת מתח גדולה יותר מ-3 עד 5% ממתח המקור בקצה הרחוק של הכבל) ולפיזור הספק לאורך ריצות כבל ארוכות כשמשתמשים באספקה של‏ 48 וולט.

מפל המתח ופיזור ההספק של הכבל הם ביחס ישר לזרם שהוא נושא ולא למתח. כך, לדוגמה, מל"ט‏ מסחרי הדורש הספק‏ קבוע של 1.5 קילו-וואט (kW‏‏) מוזן באמצעות אספקה של 48-וולט‏ ידרוש זרם‏ של 1500/48 = 31.25 אמפר (A‏). ניתן לספק הספק זהה על ידי הגדלת המתח, ובכך להקטין את דרישת הזרם, וכתוצאה מכך הקטנת מפל המתח ופיזור ההספק. לדוגמה, שימוש באספקה של‏ 800-וולט‏ דורש זרם של 1500/800 = 1.9‎ A בלבד. אספקה כזאת מאפשרת למתכנן להשתמש בבטחה בכבל קל-משקל.

רשת אספקת כוח למל"ט

כדי להפיק תועלת מאספקות מתח גבוהות יותר וכבלי קשירה קלי משקל יותר, מהנדסים חייבים לתכנן רשתות חלוקת כוח היכולות להוריד את המתחים הגבוהים המועברים בכבל הקשירה למתחי העבודה הדרושים עבור מערכות המל"ט.

איור 2 מראה דוגמה של רשת כזאת. רשת זו בנוייה תוך שימוש BCMs וממירי Buck‏ ZVS‏ מבית Vicor.

איור 2‏:‏ רשת חלוקת כוח עבור מל"ט‏ מחובר לקרקע בכבל. שים לב כיצד אפיק ה-48-וולט המשמש עבור מערכות קרקעיות מוגדל ל-800 וולט בכבל הקשירה ואחר כך מוקטן חזרה ל-48 וולט במל"ט. (מקור תמונה: Vicor)

בדוגמה זו, מודול המרת אפיק (BCM) ממיר את אספקת ה-AC התלת-פאזית של 208-וולט‏ ל-48 וולט DC עבור מערכות המחשב הקרקעיות של המל"ט.‏ ממירי Buck‏ ZVS‏ מקטינים את אספקת ה-48 וולט ל-12‏, ‏5‏ ו-3.3 וולט המשמשים בהתקנים הקרקעיים הפרטניים. אספקת ה-48-וולט‏ DC‏ אחר כך מועלית‏ על ידי BCM שני ל-800 וולט כדי להקטין למינימום מפל מתח והפסדי הספק בכבל הקשירה.

במ"לט, BCM שלישי אחר כך מפחית את המתח חזרה ל-48 וולט. רשת חלוקת הכוח במל"ט כוללת ממירי Buck נוספים כדי לספק מתחים מתאימים למצלמות, חיישנים והתקנים לוגיים.

מודולי ה-BCM המוצעים עבור יישום זה הם ה-BCM4414VD1E5135C02 של Vicor עבור ההמרה הראשונית של 208 וולט AC ל-48 וולט DC, וה-BCM4414VH0E5035M02 עבור ההמרה של 48 וולט DC ל-800 וולט DC וחזרה.

ה-BCM4414VD1E5135C02 עובד מאפיק של 260 עד 400-וולט‏ ומציע‏ יציאת צד-נמוך של 32.5 עד 51.3 וולט. ההתקן מציע זרם צד-נמוך רציף של עד ‎35 A,‏ צפיפות הספק של עד 49 ואט‏ לסמ"ק (W/cm³) ונצילות שיא של 97.7 אחוז (איור 3‏).

איור 3‏: מודולי המרת אפיק של Vicor מציגים נצילות טובה בתחום רחב של זרם צד-נמוך (T_CASE = 25˚C). (מקור תמונה: Vicor)

ה-BCM4414VH0E5035M02 עובד מאפיק של 500 עד 800-וולט‏ ומציע‏ יציאת צד-נמוך של 31.3 עד 50.0 וולט, עם יציאת הספק מקסימלי רציף של 1.5‎ kW. זרם צד-נמוך רציף, צפיפות הספק ונצילות שיא הם זהים לביצועי המוצר האחות. ה-BCM מגיע במארז של‏ 110.5 x‏ 35.5 x‏ 9.4-מילימטר (mm) ושוקל 145 גרם (g).

מודולי ה-Vicor BCM מציעים גם אפשרויות ניהול תרמי גמישות עם עכבות תרמיות נמוכות מאוד של צד-עליון ותחתון. על ידי שימוש בהתקנים אלה, מתכנן מערכת ההספק מסוגל להקטין את הגודל והמשקל של כבל הקשירה (tether), כמו גם של האספקה הקרקעית ושל המל"ט.

מודולי ה-Vicor BCM הם ספקי-כוח DC-ל-DC, כך שהכניסה הראשונית התלת-פאזית של 208-וולט AC חייבת להיות מומרת ל-DC‏ לפני ה-BCM הראשון באיור 2‏. התקן מתאים ליישור ה-AC‏ הוא מודול כניסה‏ Vicor AC ‏(AIM) כגון ה-AIM1714VB6MC7D5C00 (איור 4‏). התקן ה-AIM יכול לקבל כניסת AC של 85-עד-264-וולט ולספק יציאת AC מיושרת עם זרם של עד ‎5.3 A והספק של עד 450 ואט.‏

איור 4: ה-BCM דורש כניסת AC מיושרת. התקן כמו מודול AIM שלוש-פאזות של Vicor מספק‏ פתרון. (מקור תמונה: Vicor)

ייצוב Buck עם צפיפות הספק וגמישות גבוהות

ברגע שה-BCM בתחנה הקרקעית או במל"ט ייצב את המתח ל-48 וולט DC‏, ממירי Buck‏ ZVS‏ נדרשים להמשיך ולהוריד את המתח עבור קווי אספקה למערכות השונות. במיוחד במל"ט, ממירי ה-Buck חייבים להתאפיין בצפיפות הספק גבוהה ולהיות נצילים כך שהם יהוו ספק-כוח‏ קומפקטי וקל-משקל . מייצבי Buck‏ ZVS‏ מתאימים היטב למשימה.

הפסדי המיתוג בתוך טרנזיסטורי MOSFET מייצב מתח קונבנציונלי הם מקור עיקרי של אי-יעילות ויש להם השפעה‏ שלילית על צפיפות הספק. ZVS‏ נותן מענה להפסדים אלה ומהווה יתרון ייחודי עבור ממירי Buck העובדים עם מתח כניסה גבוה יחסית.‏

מנגנון ה-ZVS‏ (גם ידוע כ“מיתוג רך”) הוא מורכב אך ניתן להגדרה הכי טובה כהמרת כוח אפנון רוחב-פולס (PWM) קונבנציונלי במהלך היות ה-MOSFET במצב-מופעל (ON), אך עם מעברי מיתוג “מהדהדים”. ייצוב מתח היציאה מושג על ידי כוונון יחס המחזור האפקטיבי (effective duty cycle) (ולפיכך זמן "מצב-מופעל") על ידי שינוי תדר ההמרה של המייצב הממותג.

בזמן היות ה-ZVS במצב-מופסק (switch off-time), מעגל ה-L-C של המייצב מהדהד, מעביר את המתח על פני המתג מאפס לשיאו ושוב חזרה לאפס כשהמתג ניתן להפעלה מחדש. בתהליך, הפסדי המעבר של טרנזיסטורי ה-MOSFET של המייצבים הממותגים הם אפס - ללא קשר לתדר העבודה ולמתח הכניסה - והם מייצגים חיסכון ניכר בהספק ושיפור משמעותי בנצילות. (ראה "סקירה של מיתוג מתח-אפס וחשיבותו לייצוב מתח".)

חברת Vicor מיצרת מגוון של מייצבי ZVS Buck משולבים עם מעגלי בקרה, מוליכים-למחצה הספקיים ורכיבי תמיכה בהתקני צפיפות-גבוהה LGA‏, BGA‏ ומערכת-במארז (SiP‏). מייצבי המתח הממותגים משלימים את מודולי ה-BCM המשמשים בחלקים אחרים של מעגל חלוקת הכוח של המל"ט. מייצבי ה-ZVS Buck מציעים צפיפות הספק וגמישות גבוהות עבור ייצוב DC-ל-DC נצילות-גבוהה בנקודת-עומס (PoL). הם ניתנים לשימוש עבור הורדה יעילה של אפיק מתח ה-48 וולט‏ ל-3.3, ‏5‏ ו-12‏ וולט עבור תת-המערכות האחרות של המל"ט.

דוגמאות של מייצבי Buck‏ ZVS‏ כוללות את משפחת ה-PI352x-00. מייצבי ה-PI352x-00 צריכים רק משרן חיצוני,‏ שני נגדי בחירת-מתח ומספר‏ מינימלי של קבלים כדי ליצור מייצב Buck ממותג DC-DC‏ שלם. כל המייצבים עובדים מכניסה של 30 עד 60 וולט. ישנם שלושה התקנים במשפחה: ה-PI3523-00, שמספק יציאה נומינלית של 3.3 וולט‏ (תחום של 2.2 עד 4 וולט) ועד A‏ 22‏; ה-PI3525-00, שמספק יציאה נומינליות של 5.0 וולט‏ (תחום של 4 עד 6.5 וולט‏) ועד A‏ 20‏; וה-PI3526-00, שמספק יציאה נומינליות של 12‏ וולט‏ (תחום של 6.5 עד 14 וולט) ועד ‎18 A. ההתקנים מסופקים במארז‏ LGA SiP במידות ‏10 x‏ 14 x‏ 2.56 מ"מ.

הוספת מייצבי ZVS‏ לרשת צפיפות ההספק

דרושה עבודת תכנון מסוימת כדי למטב את הביצועים של מייצבי ה-Buck‏ ZVS‏ ברשת חלוקת הכוח במל"ט. איור 5‏ מראה את הרכיבים החיצוניים הדרושים עבור כ"א מחברי המשפחה של ה-PI352x-00.

איור 5‏: מייצב ה-Vicor ZVS Buck צריך‏ משרן חיצוני, רשת מחלק נגדים כדי לקבוע את מתח היציאה, כמו גם קבלים עבור סינון. (מקור תמונה: Vicor)

כל אחד מההתקנים דורש משרן חיצוני. Vicor חישבה את ערך ההשראות עבור התקן אחסון האנרגיה כדי למקסם נצילות. עבור מייצבי ה-PI3523 ו-PI3525 מומלץ משרן של‏ 230 ננו-הנרי (nH‏), בעוד משרן של 480‎ nH‏ מומלץ לשימוש עם ה-P13526.

בעוד כ"א מחברי המשפחה של ה-PI352x-00 יכול לטפל ישירות בכניסת ה-48-וולט DC מה-BCM המתאים (תחום הכניסה עבור מייצבי ה-Buck הוא 30 עד 60 וולט DC), קביעת מתח היציאה דורשת את הבחירה של נגדי יציאה—REA1 ו-REA2—שביחד יוצרים‏ רשת מחלק נגדים.

ללא קשר למתח היציאה, יש לקבוע את נגד REA2 ל-1 קילו-אוהם (kΩ‏) עבור חסינות הרעש הטובה ביותר. את הערך של REA1 ניתן לחשב לפי הנוסחה הבאה:

בנוסף לערכי משרנים, Vicor גם ממליצה על ערכים עבור קבלי ה-C_IN ו-C_OUT כדי להבטיח אתחול נכון והפרדת (decoupling) תדר-גבוה עבור דרגת ההספק. משפחת ה-PI352x-00 מושכת כמעט את כל זרם התדר-הגבוה מהקבלים הקרמיים עכבה-נמוכה שלה כשטרנזיסטורי ה-MOSFET צד-גבוה העיקריים מוליכים. אחר כך, במהלך הזמן שטרנזיסטורי ה-MOSFET‏ במצב-מושבת, הקבלים נטענים מחדש מהמקור. טבלה 1‏ מציגה את ערכי הקבלים ותוצאות זרמי אדווה ומתחים.

טבלה 1‏: ערכים מומלצים עבור קבלי הכניסה והיציאה של Vicor P1352x במתח קו נומינלי וקיצוץ נומינלי. (מקור טבלה: Vicor)

כדי להבטיח נצילות אופטימלית והפרעות אלקטרומגנטיות (EMI‏) נמוכות עם משפחת ה-PI352x-00, התנגדות פסים מוליכים מינימלית והחזרי חוג זרם גבוהים, יחד עם מיקום רכיבים נכון הם חיוניים. איור 6‏ מראה את מערך הרכיבים המומלץ עבור המייצב ורכיבים חיצוניים. זהו המערך המאומץ על ידי לוח ההערכה PI3526-00-EVAL1 PI352x-00.

איור 6‏: מערך רכיבים אופטימלי עבור מייצב ה-Vicor ZVS‏, משרן וקבלי כניסה ויציאה. (מקור תמונה: Vicor)

החוג הכחול באיור 6‏ מראה את הנתיב ההדוק בין קבלי הכניסה והיציאה (ו-V_IN ו-V_OUT) עבור הזרם החוזר AC הגבוה של המייצב, שמסייע לנצילות.

מסקנה

כדי למטב את הטווח ואת קיבולת ההעמסה של מל"טים, מהנדסים פנו אל כבלי קשירה (tethers) מתח-גבוה. אלה מקטינים למינימום פיזור הספק ומפל מתח בכבלים. עם זאת, מתחי כבל הקשירה (tether) הגבוהים חייבים להיות מיוצבים ביעילות ובאופן בטוח למתחי אפיק, ואחר כך מוקטנים עוד יותר למתחי האספקה הדרושים על ידי המערכות האלקטרוניות של המל"ט.

צפיפות הספק גבוהה ומודולי BCM נצילים מבית Vicor מספקים פתרון ‏קל-למימוש עבור הקטנת והגדלת המתחים בין התחנה הקרקעית, כבל הקשירה והמל"ט. מודולי ה-BCM מושלמים על ידי ממירי ZVS Buck בעלי הפסדי-מיתוג-נמוכים, שמציעים נצילות של 97 אחוז כשמורידים את מתח האפיק ל-3.3, 5 ו-12 וולט, מתחים הדרושים עבור תת-המערכות השונות של המל"ט.