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功率平均技术为反无人机系统提升速度与可靠性
功率平均技术利用限流转换器与大容量电容，向反无人机平台可靠地提供峰值功率脉冲。该技术根据平均需求而非峰值需求确定系统规模，可大幅缩减供电网络的尺寸与重量。高密度 DC-DC 转换器使这种轻量化、高性能的供电成为可能。
作者：Dave Berry，高级首席应用工程师
DC-DC 转换器为受尺寸与重量约束的平台提供高功率脉冲
无论是探测还是压制敌方无人机或无人机蜂群，反无人机系统（UAS）平台均依赖能够向负载提供短时高功率脉冲的供电网络（PDN）。然而，挑战在于优化供电源，以确保速度与可靠性。
在大多数情况下，若要支撑持续的峰值负载，PDN 需要配备极为笨重的电源，从而增加尺寸与重量。遗憾的是，反无人机系统（C-UAS）通常为移动式，由电池或发电机供电，这从根本上限制了其 PDN 的峰值功率能力。虽然平台的脉冲发射器可能需要在数百微秒内消耗数十千瓦功率，但大多数 C-UAS 系统仅能提供其中很小一部分。
功率平均技术提供了一种高效的解决方案。采用功率平均技术时，并非按照仅在短暂时间内出现的峰值功率工况来确定整个电源的规模，而是将限流转换器与大容量电容配对，从而提供远超转换器单独所能提供的功率。凭借高功率密度、快速电容充电能力以及对大容量电容的安全运行能力，高密度模块化 DC-DC 转换器使功率平均技术得以在 C-UAS 系统中落地应用。
功率平均技术助力提升 C-UAS 的速度与性能
对于负载仅短时开启且重复出现的应用，一种解决方案是使用限流转换器与电容来满足峰值功率需求。在配置此类电源系统时，设计人员必须考虑电源的电流限制、功率限制与稳定性，并合理确定电容尺寸，以确保负载处的压降保持在容差范围内。脉冲发射器、雷达与激光雷达阵列以及类似的脉冲型 C-UAS 负载，均可利用功率平均技术降低系统的成本、占用空间与重量。
当负载能够承受较宽的输入电压范围时，功率平均配置非常有效。这种情况通常出现在负载为另一稳压器件（通常为负载点转换器）或若干此类稳压器件时。
当负载点（PoL）或负载需要功率时，由于 DC 转换器将进入限流状态，同时为电容和负载供电，电容将提供较大比例的负载电流。随着电容提供 PoL 或负载电流，其电压将开始下降。必须合理确定电容的尺寸，以确保其两端电压始终处于 PoL 转换器的输入电压范围内（公式 1）。
公式 1：C 为保持电容值，P 为每个脉冲期间所需功率，T1–T2 为脉冲持续时间，V1 为脉冲开始前的起始电压，V2 为负载脉冲结束时的最终电压。
为尽量减少所需电容，设计人员可将电容充电至 PoL 的最高输入电压，并允许在脉冲持续期间通过功率消耗使电容电压降至 PoL 的最低输入电压。
通过设置限流器防范电源系统故障
DC-DC 转换器通常设计为在最大功率水平以内调节电压，因而具有最大电流和功率额定值。若负载（例如 C-UAS 发射器中的雷达负载）试图从电源汲取超过额定电流的电流，电源通常会进入限流模式，或折返输出电压，或关断后重启。
限流值通常设定在略高于最大额定电流的位置，以便在转换器的设定电压点实现满功率输出。额定 500W、48VDC 的转换器，其最大持续电流额定值为 500W ÷ 48VDC = 10.4A。然而，限流功能可能要到输出电流达到 13A 时才会启动。
限流功能通常针对负载故障而设计，转换器在其生命周期内仅会几次进入限流状态。如果转换器并非按限流作为正常工作模式来设计，那么过于频繁地进入限流会对其内部组件造成应力，并缩短电源系统的使用寿命。
若负载在设定电压点汲取的电流超过最大电流但低于限流值，电源将长期过功率运行，最终可能导致电源系统故障。因此，额定 500W、48VDC、限流值设为 13A 的转换器，在限流启动前将承受高达 624W 的过功率。
应对大容量电容带来的复杂性
在功率平均应用中采用大容量电容，可能给 DC 电源系统带来诸多复杂性。上电时，较大的电容（许多情况下可达数千微法）可能将 DC 电源拉入限流状态。鉴于内置限流器可能带来的问题，通常需要使用外部限流电路，以将电源限制在其最大电流和最大功率额定值范围内。
反无人机系统电源设计人员可对电容进行预充电，或添加串联电阻，以便在启动时限制电流，待外部限流电路激活后，即可将其短接（图 1）。预充电电路和限流电路可能较为复杂，且会占用宝贵的电路板空间。外部限流电路还必须具备足够的响应速度，以捕捉过流事件。
图 1：10mF 电容为 DCM 工作所需电容，100mF 电容为脉冲保持电容，U1 为电容导入电路。
这可能带来挑战，因为即使只有几个开关周期，也可能引发过流事件。DC 电源成功上电后，电源系统必须保持稳定。对于某些 DC-DC 转换器而言，大容量电容可能导致电压控制环路失稳，进而引发电源或系统故障。此类潜在稳定性问题可通过接入电源系统的控制环路加以解决，但这需要复杂且耗时的工程工作。
为高电容反无人机负载设计的 DC-DC 转换器至关重要
若电源转换器未按其输出端可承受大容量电容进行设计，则外围电路可能变得极为复杂。然而，Vicor DCM™ DC-DC 转换器按其输出端可承受大量电容进行设计，即使驱动高达 10 毫法的电容值，也能在其最大电流额定值与功率额定值范围内正常运行。若在启动期间切入更大电容，亦可予以应对。DCM 具备安全的限流功能，这意味着它可在模块的设定电压点安全运行，因为 DCM 能够在短时间内提供超过其额定功率的功率（图 2）。
图 2：Vicor DCM4623 功率密度高，并具备适用于反无人机平台的安全限流功能。Vicor DCM DC-DC 转换器按其输出端可承受大量电容进行设计，即使驱动高达 10 毫法的电容值，也能在其最大电流额定值与功率额定值范围内正常运行。
启动时，DCM 将在其规定工作区域内将电容驱动至目标电压。电容充电完成后，转换器的控制环路可在正常运行期间保持稳定。
若应用按功率平均进行设计，则涌入下游 PoL 的初始功率脉冲将超过转换器的承载能力。PoL 输入电流将由电位最高的电压源提供。由于电容存在 ESR，转换器输出可能具有更高的电位，并将持续提供初始浪涌电流，直至其输出因限流而下降。DCM 设计为可承受该浪涌电流，直至其内部限流接管。一旦 DCM 的电压下降，电流需求便将由电容来满足。电容容量可按需选定，以提供远大于 DC 转换器模块的电流。一旦 PoL 或负载电流需求结束，DC 转换器必须将电容重新充电至其初始电压，以便为下一次电流需求做好准备（图 3）。
图 3a（上）：黄色迹线（C1）展示了为下游 U2 负载供电的 DCM 的 VOUT 电压。红色迹线（C2）所示为 DCM 的平均输出电流，红色迹线的标度为 10mV/A。绿色迹线（C4）所示为脉冲负载电流。
图 3b（下）：为实现功率平均而设计的电源系统的示波器波形图与框图，展示了该系统的运行方式。在本示例中，DC 转换器模块的输出设定为 50VDC，其额定连续功率为 320W。下游 PoL 转换器在 48VDC 下合计提供 20A 电流，即 960W 负载功率。负载频率为 1Hz，占空比为 7%，故负载开启时间为 70ms。当 PoL 开始向负载供电时，其从 100 毫法电容与 DCM 中汲取能量。DCM 将进入保护性限流状态，此时由电容提供大部分功率。负载需求结束后，DCM 将把电容重新充电至其初始电压。
敏捷性与可靠性是顶级 C-UAS 平台的基石
防范边境威胁所面临的挑战始终在不断演变。然而，在应对威胁时，速度与可靠性的重要性始终不变。配置一个能够在最严苛条件下做出响应的供电网络至关重要，且能够挽救生命。
采用功率平均配置的电源可实现快速响应，减小电源系统的尺寸，减轻重量，并降低成本。当然，尺寸与重量的减小，也提升了现场部署的机动性与灵活性，而这始终是一项额外优势。在负载短时周期性开启的应用中采用功率平均方法，是可靠的反无人机探测与响应系统的最优配置。
若 DC 转换器模块设计为可在其限流与最大功率范围内安全运行，则可最大限度地减少辅助电路。按平均功率确定电源系统规模，还有助于省去按持续峰值供电确定规模时所需的辅助电路与硬件。这也有助于设计人员满足系统的空间与重量限制要求。
在现场应用中，每一个细节都至关重要——速度、敏捷性、可靠性、尺寸与重量。在设计 C-UAS 平台时，争取每千克每瓦的优化，正是决定电源系统能否适配应用的分水岭。
本文最初由 Components in Electronics 发布。
David Berry 拥有纽约州斯克内克塔迪市联合学院的电气工程理学学士学位。他曾担任磁性元件设计师，专攻阻抗匹配变压器，现就职于 Vicor 公司，担任高级首席应用工程师。他已在航空航天与国防市场的组件电源设计领域深耕超过 29 年。
Dave Berry，高级首席应用工程师
