Como Projetar Redes Modulares Eficientes de Fornecimento de Energia para UAVs Amarrados

Os veículos aéreos não tripulados (UAVs) ou "drones" são cada vez mais utilizados para aplicações de trabalho pesado, tais como reconhecimento terrestre para uso militar, combate a incêndios e agricultura. Esses e muitos outros casos de uso exigem que o drone fique no ar por longos períodos, portanto, as baterias não são uma opção. Ao invés disso, o drone é alimentado através de um cabo amarrado durante todo o vôo.

No entanto, os cabos introduzem novos desafios. Um cabo mais grosso oferece menor resistência elétrica, mas coloca um peso maior sobre o drone, limitando sua capacidade de carga. Os cabos finos aumentam a resistência elétrica, causando uma dissipação de energia e queda de tensão inaceitáveis com os comprimentos tipicamente longos dos cabos do drone. Os engenheiros procuram superar as perdas associadas aos cabos mais finos, aumentando a tensão no cabo até 800 volts. Tal aumento ajuda a diminuir a corrente para uma determinada potência necessária.

O desafio passa então a ser lidar com a alta tensão no drone. A rede de distribuição de energia do drone deve ser capaz de conduzir a alta voltagem e de reduzi-la com eficiência até as tensões mais baixas exigidas pelos sistemas do UAV. Qualquer solução de gerenciamento de energia deve ser leve e compacta para minimizar o impacto sobre a capacidade de transporte de carga do veículo.

Este artigo discute os benefícios dos sistemas de fornecimento de alta tensão para drones amarrados. Em seguida, explica porque os módulos conversores para barramento de alta eficiência e alta densidade de potência (BCMs) e os conversores de tensão ("buck") abaixadores de chaveamento de tensão zero (ZVS) são uma boa opção ao projetar redes de distribuição de energia para aplicações de UAV amarrado. Exemplos conversores buck BCMs e ZVS da Vicor são apresentados e usados para ajudar a mostrar como projetar uma rede de alimentação leve, porém eficiente.

Tensões mais altas permitem cabos mais leves

Os cabos livram os projetistas das restrições que as baterias impõem aos drones (Figura 1). Os UAVs podem permanecer no ar por longos períodos, desde que a energia em terra esteja disponível, permitindo-lhes operar em aplicações tais como plataformas de observação ou repetidores de rádio sobre o horizonte. A desvantagem é que o drone deve içar um cabo potencialmente pesado, o que pode limitar tanto seu alcance operacional quanto sua capacidade de transporte de cargas úteis como câmeras ou equipamentos de rádio.

Figura 1: Os drones podem permanecer no alto por longos períodos usando a energia fornecida por meio de um cabo. (Fonte da imagem: Vicor)

Os drones comerciais exigem várias tensões CC para seus vários sistemas. Por exemplo, 48 volts é comum para motores, enquanto 12, 5, e 3,3 volts são típicos para sensores, atuadores e eletrônica de controle. Cabos finos e leves ajudam a limitar a carga de peso no drone, mas a maior resistência do cabo (a resistência aumenta conforme a seção transversal do cabo diminui) pode causar uma queda de tensão inaceitavelmente alta (definida como uma queda de tensão maior que 3% a 5% da tensão da fonte na extremidade mais distante do cabo) e dissipação de energia em cabos longos quando se utiliza uma alimentação de 48 volts.

A queda de tensão do cabo e a dissipação de energia são proporcionais à corrente que ele transporta e não à tensão. Assim, por exemplo, um drone comercial que requer uma potência constante de 1,5 quilowatt (kW) alimentado por uma fonte de 48 volts exigirá uma corrente de 1500/48 = 31,25 amperes (A). Uma potência idêntica pode ser fornecida aumentando a tensão, diminuindo assim a necessidade de corrente e, posteriormente, a queda de tensão e a dissipação de energia. Por exemplo, utilizando uma alimentação de 800 volts será necessário uma corrente de apenas 1500/800 = 1,9 A. Tal alimentação permite que o projetista utilize com segurança um cabo leve.

Uma rede de distribuição de energia para drones

Para tirar proveito de fontes de tensão mais altas e cabos mais leves, os engenheiros precisam projetar redes de distribuição de energia que possam reduzir com segurança e eficiência as altas tensões transportadas no cabo até as tensões de trabalho necessárias para os sistemas do drone.

A Figura 2 mostra um exemplo de uma rede desse tipo. Essa rede é construída usando conversores buck BCMs e ZVS da Vicor.

Figura 2: Uma rede de distribuição de energia para um drone amarrado. Observe como o barramento de 48 volts usado para sistemas em terra é elevado para 800 volts no cabo e depois reduzido de volta para 48 volts no drone. (Fonte da imagem: Vicor)

Nesse exemplo, um BCM converte o fornecimento trifásico de 208 volts CA para 48 volts CC para os sistemas de computador em terra do drone. Os conversores buck ZVS reduzem o fornecimento de 48 volts para os 12, 5 e 3,3 volts usados pelos dispositivos individuais em terra. O fornecimento de 48 volts CC é então aumentado por um segundo BCM para 800 volts para minimizar a queda de tensão e a perda de energia no cabo.

No drone, um terceiro BCM reduz então a tensão de volta para 48 volts. A rede de distribuição de energia no drone inclui mais conversores buck para alimentar câmeras, sensores e dispositivos lógicos com as tensões apropriadas.

Os BCMs sugeridos para essa aplicação são o BCM4414VD1E5135C02 para a conversão inicial de 208 volts CA para 48 volts CC e o BCM4414VH0E5035M02 para a conversão de 48 volts CC para 800 volts CC e para a conversão de volta, ambos da Vicor.

O BCM4414VD1E5135C02 opera de um barramento de 260 a 400 volts e oferece uma saída baixa de 32,5 a 51,3 volts. O dispositivo oferece até 35 A de corrente continuamente no lado de baixa, até 49 watts por centímetro cúbico (W/cm³) de densidade de potência, e 97,7% de eficiência de pico (Figura 3).

Figura 3: Os módulos conversores de barramento da Vicor exibem boa eficiência em uma ampla faixa de corrente no lado de baixa (T_CASE = 25 ˚C). (Fonte da imagem: Vicor)

O BCM4414VH0E5035M02 opera de um barramento de 500 a 800 volts e oferece um lado de baixa de 31,3 a 50,0 volts, com uma potência de saída contínua máxima de 1,5 kW. A continuidade da corrente do lado de baixa, densidade de potência e eficiência de pico são idênticos ao produto irmão. O BCM vem em uma caixa de 110,5 x 35,5 x 9,4 milímetros (mm) e pesa 145 gramas (g).

Os BCMs da Vicor também oferecem opções flexíveis de gerenciamento térmico com impedâncias térmicas muito baixas nas partes superiores e inferiores. Ao utilizar os dispositivos, o projetista do sistema de energia é capaz de reduzir o tamanho e o peso do cabo, assim como a alimentação em terra e o drone.

Os BCMs da Vicor são fontes de alimentação CC/CC, portanto, a entrada inicial trifásica de 208 volts CA deve ser convertida para CC antes do primeiro BCM na Figura 2. Um dispositivo adequado para a retificação CA é um módulo de entrada CA (AIM) da Vicor como o AIM1714VB6MC7D5C00 (Figura 4). O dispositivo AIM pode aceitar uma entrada CA de 85 a 264 volts e fornecer uma saída CA retificada com uma corrente de até 5,3 A e uma potência de até 450 watts.

Figura 4: O BCM requer uma entrada CA retificada. Um dispositivo como o módulo AIM trifásico da Vicor fornece a solução. (Fonte da imagem: Vicor)

Regulagem do buck com alta densidade de potência e flexibilidade

Uma vez que o BCM na estação em terra ou o drone tenha regulado a tensão para 48 volts CC, conversores buck ZVS são necessários para reduzir ainda mais a tensão das linhas de alimentação para os vários sistemas. Particularmente no drone, os conversores buck devem apresentar alta densidade de potência e ser eficientes de modo a formar uma fonte de alimentação compacta e leve. Os reguladores buck ZVS são bem adequados para a tarefa.

As perdas de chaveamento dentro dos reguladores de tensão convencionais MOSFET são uma fonte importante de ineficiência e têm um impacto negativo na densidade de potência. O ZVS trata dessas perdas e é uma vantagem específica dos conversores buck que operam com uma entrada de tensão relativamente alta.

O mecanismo do ZVS (também conhecido como "chaveamento suave") é complexo, mas pode ser melhor definido como a conversão convencional de energia por modulação por largura de pulso (PWM) durante a ativação do MOSFET, mas com transições de chaveamento "ressonantes". A regulagem da tensão de saída é obtida através do ajuste do ciclo de trabalho efetivo (e, portanto, do tempo "ligado") pela variação da frequência de conversão do regulador de chaveamento.

Durante o tempo de desligado do chaveamento do ZVS, o circuito L-C do regulador ressoa, circulando a tensão através do interruptor, de zero até seu pico, e novamente para baixo até zero quando o interruptor pode ser reativado. No processo, as perdas de transição do regulador de chaveamento do MOSFET são zero — independentemente da frequência operacional e da tensão de entrada — representando uma economia significativa de energia e uma melhoria substancial na eficiência. (Veja "Uma Revisão do Chaveamento de Tensão Zero e sua Importância para a Regulagem da Tensão".)

A Vicor produz uma variedade de reguladores buck ZVS integrados com circuitos de controle, semicondutores de potência e componentes de suporte em dispositivos de alta densidade LGA, BGA e dispositivos tipo sistema em pacote (SiP). Os reguladores de tensão de chaveamento complementam os BCMs usados em outras partes do circuito de distribuição de energia do drone. Os reguladores ZVS oferecem boa densidade de potência e flexibilidade para a regulagem CC/CC de alta eficiência do ponto de carga (PoL). Eles podem ser usados para baixar eficientemente o barramento de 48 volts para 3,3, 5, e 12 volts para os outros subsistemas do drone.

Exemplos de reguladores buck ZVS que incluem a família PI352x-00. Os reguladores PI352x-00 precisam apenas de um indutor externo, dois resistores de seleção de tensão e um número mínimo de capacitores para formar um regulador buck chaveado CC/CC completo. Todos os reguladores operam a partir de uma entrada de 30 a 60 volts. Há três dispositivos na família: o PI3523-00, que fornece uma saída nominal de 3,3 volts (faixa de 2,2 a 4 volts) e até 22 A; o PI3525-00, que fornece uma saída nominal de 5,0 volts (faixa de 4 a 6,5 volts) e até 20 A; e o PI3526-00, que fornece uma saída nominal de 12 volts (faixa de 6,5 a 14 volts) e até 18 A. Os dispositivos são fornecidos em uma SiP LGA de 10 x 14 x 2,56 mm.

Adicionando os reguladores ZVS à rede de densidade de energia

Algum trabalho de projeto é necessário para otimizar o desempenho dos reguladores de potência ZVS na rede de distribuição de energia do drone. A Figura 5 mostra os componentes externos necessários para cada membro da família PI352x-00.

Figura 5: O regulador buck ZVS da Vicor requer um indutor externo, um divisor de resistores para definir a tensão de saída e capacitores para filtragem. (Fonte da imagem: Vicor)

Cada um dos dispositivos requer um indutor externo. A Vicor calculou o valor da indutância do dispositivo de armazenamento de energia para maximizar a eficiência. Para os reguladores PI3523 e PI3525, recomenda-se um indutor de 230 nanohenry (nH), enquanto um indutor de 480 nH é recomendado para uso com o P13526.

Enquanto cada membro da família PI352x-00 pode lidar diretamente com a entrada de 48 volts CC do respectivo BCM (a faixa de entrada para os reguladores buck é de 30 a 60 volts CC), o ajuste da tensão de saída depende da seleção dos resistores de saída — REA1 e REA2 — que juntos formam uma divisor de resistores.

Independentemente da tensão de saída, o REA2 deve ser ajustado para 1 quilohm (kΩ) para obter a melhor imunidade a ruídos. O valor do REA1 pode então ser calculado a partir da seguinte fórmula:

Além dos valores dos indutores, a Vicor também recomenda valores para os capacitores C_IN e C_OUT para garantir a partida adequada e o desacoplamento de alta frequência para o estágio de potência. A família PI352x-00 drena quase toda a corrente de alta frequência por seus capacitores de cerâmica de baixa impedância quando os principais MOSFETs do lado de alta estão conduzindo. Então, durante o tempo em que os MOSFETs estão desligados, os capacitores são reabastecidos pela fonte. A tabela 1 lista os valores dos capacitores e as correntes e tensões de ondulação resultantes.

Tabela 1: Valores recomendados para os capacitores de entrada e saída do P1352x da Vicor em tensão de linha e ajuste nominais. (Fonte da tabela: Vicor)

Para garantir a eficiência ideal e baixa interferência eletromagnética (EMI) com a família PI352x-00, é essencial uma resistência mínima nas trilhas e retornos de malha de alta corrente, juntamente com o posicionamento adequado dos componentes. A Figura 6 mostra o layout recomendado para o regulador e componentes externos. Esse é o layout adotado pela placa de teste PI352x-00 PI3526-00-EVAL1.

Figura 6: Layout ideal para o regulador ZVS, indutor e capacitores de entrada e saída da Vicor. (Fonte da imagem: Vicor)

O circuito azul na Figura 6 indica o caminho apertado entre os capacitores de entrada e saída (e V_IN e V_OUT) para a alta corrente de retorno CA do regulador, o que ajuda a eficiência.

Conclusão

Para otimizar o alcance e a capacidade de carga dos drones, os engenheiros se voltaram para amarras de alta tensão. Elas minimizam a dissipação de energia e a queda de tensão nos cabos. Entretanto, as altas tensões nos cabos precisam ser reguladas com segurança e eficiência para as tensões dos barramento e depois reduzidas ainda mais para as tensões de alimentação solicitadas pelos sistemas eletrônicos do drone.

BCMs eficientes e de alta densidade de potência da Vicor fornecem uma solução fácil de implementar para baixar e aumentar as tensões entre a estação em terra, o cabo e o drone. Os BCMs são complementados por conversores ZVS de baixa perda de chaveamento, que oferecem 97% de eficiência ao reduzir a tensão do barramento para os 3,3, 5 e 12 volts necessários para os vários subsistemas do drone.