某型無人機電源濾波系統的設計

王 亮，張一鳴，王小麗，高俊俠

（北京工業大學電子信息與控制工程學院，北京100124）

0 引 言

無人機航空磁測已經成為航空探測領域的最新技術之一。電源系統是無人機的重要組成部分，它擔負著為無人機其他系統提供有效載荷的重要任務，其供電質量的優劣直接影響著無人機的飛行狀態［1］。無人機工作環境復雜，對供電電源的輸出電壓紋波和噪聲要求很高。在電源系統設計中，濾波網絡的設計決定了電源系統的噪聲、紋波的大小以及電源的整體性能，因此設計一個優良的濾波網絡對電源系統是至關重要的。

本文介紹了以兩級LC濾波為核心的某型無人機電源系統輸出濾波器的設計。對LC濾波器的結構及其參數進行了詳細的分析，所設計的正激開關電源結構簡單、紋波小、噪聲低，輸出電壓穩定。仿真和實驗結果證明了設計的合理性，此無人機電源已經在無人機野外飛行實驗中得到了實際應用，取得了良好的效果。

1 正激變換器濾波電路的設計

1.1 應用電路的原理分析

圖1為正激開關電源濾波網絡的應用電路。濾波網絡采用兩級LC濾波的方式。其中第一級LC濾波網絡的主要功能是進行能量存儲，以保證開關電源在整個周期內維持近似穩定的直流電壓的輸出［2］；該濾波器的另一個功能就是把高頻諧波和共模輸出的干擾減少到一個可以接受的范圍內，該功能不太明顯。兩個功能的實現是不能兼容的，突出其中一個功能必然降低另一個功能的作用。為了保持穩定的直流輸出，輸出電感的值較大，較大的電感往往會帶來較大的匝間電容，這導致了相對低的自諧振頻率，這種電感在其自諧振頻率下有低阻抗，故不能有效地衰減電流的高頻分量。只用一級LC濾波器很難達到滿意的平滑電壓和去噪聲的要求，再加一級LC濾波構成兩級LC濾波器，這樣濾波器的性價比會更好，體積和質量也更小，既降低了成本，又改善了性能［3］。第二級濾波器須謹慎設計，設計不合理會導致系統的輸出不穩定。

1.2 兩級LC濾波器的分析

主輸出電感L1的選擇應使在最小直流輸出電流下的電感電流仍保持連續，L1的值應遠大于L2。輸出電容的選擇應盡量滿足輸出紋波電壓［4］。無人機電源最小輸出電流為Idc為額定電流的1／10，正激電源不連續狀態在最小電流Idc等于輸出電流斜坡幅值d I的一半開始。故

式中，Ug為整流后濾波前輸出端的電壓值。因主拓撲結構為正激電源，為了防止變壓器磁飽和，設Ton＝0.8 T／2，又

故

L2的選擇一般要遠小于L1，這里取L2為0.5μH。

如圖1所示，L1和C1為第一級濾波器，L2和C2構成第二級濾波器。為了便于分析，假定C1、C2的串聯等效電阻為Rc1＝Rc2＝0，輸出電阻Ro＝∞。輸出濾波系統的狀態方程為：

從式（4）可以得到一級諧振頻率為：

第二級諧振頻率為：

這里

第一個諧振點由一級電感L1和輸出電容C1、C2之和決定。第二個諧振點由第二級電感L2和輸出電容C1、C2并聯的值決定。從式（5）、式（6）得出無論兩個電容的位置如何安排，電容值較小的電容決定第二個諧振點，較大的電容決定第一個諧振點。

如果輸出電容器C2為更小，第二諧振對任何電容性負載都非常敏感，實際上，容性負載可以使系統不穩定。如果第一級LC電容C1更小，容性負載對系統輸出的穩定幾乎沒有影響［5］。為保證輸出電壓的穩定，選取C1遠小于C2。為了滿足紋波和噪聲的要求這里取串聯等效電阻較低的鉭電容為輸出濾波電容，C1＝660μF、ESR1＝0.0025Ω；C2＝2 200μF、ESR2＝0.001Ω。

圖2給出了只用一級LC網絡與采用兩級LC濾波網絡的幅頻特性曲線（只用一級LC的情況下輸出電感L0＝L1、C0＝C1＋C2），從圖2可以看出兩級LC濾波網絡的第一個諧振點和一級LC濾波網絡的諧振點很接近，兩級LC濾波網絡的第二個諧振點大約在16 k Hz處，附加的衰減大約為30 dB。對系統輸出的穩定性沒有顯著的影響。

圖2 LC網絡的幅頻特性曲線

2 系統仿真及實物驗證

2.1 仿真結果與分析

利用Saber仿真軟件分別對一級LC和兩級LC作為輸出濾波器的情況下進行了仿真實驗。實驗結果如圖3所示，只用一級LC濾波器的電源輸出紋波電壓大約為0.08 V，兩級LC濾波網絡的輸出紋波電壓只有3.5 mV。

圖3 LC濾波網絡輸出紋波電壓仿真曲線

從仿真結果看出兩級LC濾波網絡的輸出電壓紋波遠小于一級LC濾波網絡的紋波。所設計的濾波器符合預定的性能指標。

2.2 實物驗證結果

無人機電源實驗平臺如圖4所示。圖5為一級LC濾波器輸出電壓的紋波波形，紋波電壓大約為0.1 V，圖6為兩級LC濾波器輸出電壓的紋波波形，紋波電壓只有15 mV左右，遠小于一級LC濾波器的輸出電壓紋波。由以上分析可知，所設計的兩級LC濾波器紋波小、輸出電壓穩定。

3 結 論

本文針對某型航空無人機對供電電源的輸出電壓紋波的特定要求，通過理論計算、仿真實驗、無人機電源實物平臺實驗，設計了以兩級LC濾波網絡為核心的濾波系統。所設計的兩級LC濾波器具有結構簡單、紋波小、噪聲低，輸出電壓穩定等優點，顯著地提高了無人機飛行的安全性和穩定性。在無人機野外實際飛行實驗中，該電源系統性能穩定，效果良好。

圖6 兩級LC濾波器輸出紋波電壓波形

［1］ Cao Zhiwen，Chen Dongsheng，Yu Fei，et al.EMI Suppression of UAV Power in Aeromagnetic survey ［J］.IEEE electromagnetic compatibility magazine，2013，2（1）：45-53.

［2］ 楊 旭，裴云慶，王兆安.開關電源技術［M］.北京：機械工業出版社，2004.

［3］ KEITH B著，張占松，汪仁煌，謝麗萍，譯.開關電源手冊（第2版）［M］.北京：人民郵電出版社，2006.

［4］ PRESSMAN A I，BILLINGS K，MOREY T著.王志強，肖文勛，虞龍，等譯.開關電源設計（第3版）［M］.北京：電子工業出版社，2010.

［5］ Ridley R.Scondary LC Filter Analysis and Design Techniques for Current-Mode-Controlled Converters［J］.IEEE Transactions on Power electronics，1998，3（4）：69-71.