固定比率的高效率降壓及升降壓轉(zhuǎn)換器增大工作范圍、延長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間并提高有效負(fù)載。

可通過(guò)對(duì)供電網(wǎng)絡(luò) （PDN） 的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高移動(dòng)機(jī)器人的工作范圍、生產(chǎn)力和靈活性。由于電池電源電壓的變化以及各種各樣的負(fù)載，其可能是諸如大功率 AI 計(jì)算系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、傳感器、通信系統(tǒng)、邏輯電路板和處理器等典型系統(tǒng)的一部分， 因此這種 PDN 中有復(fù)雜的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)和架構(gòu)注意事項(xiàng)。此外，在開(kāi)發(fā)使用大功率開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的密集系統(tǒng)時(shí)，也會(huì)自然而然地產(chǎn)生EMI 注意事項(xiàng)。因此，robotics 電源系統(tǒng)面臨許多獨(dú)特的挑戰(zhàn)，需要全新的方法來(lái)應(yīng)對(duì)。

使用 Vicor 高密度、高性能電源模塊的模塊化PDN設(shè)計(jì)方法可應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。了解基本工程原理以及超級(jí)計(jì)算應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，探索如何利用 Vicor 固定比率電源轉(zhuǎn)換器寬輸入范圍的高效率 零電壓 （ZVS） 降壓或升降壓穩(wěn)壓器來(lái)提高高級(jí)機(jī)器人電源系統(tǒng)的性能和設(shè)計(jì)靈活性。

要考慮的兩種方法：

1.在高達(dá)75V的供電網(wǎng)絡(luò)中，依據(jù) IEC 的 110VDC SELV（安全超低電壓）范圍內(nèi)使用寬輸入電壓范圍的降壓及升降壓穩(wěn)壓器。這允許低電壓機(jī)器人功率轉(zhuǎn)換級(jí)比它們的隔離DC-DC對(duì)應(yīng)級(jí)小，和/或適應(yīng)在更大或更小平臺(tái)上使用的更高或更低電池電壓。

2.使用固定比率轉(zhuǎn)換器來(lái)有效提高或降低電源電壓，并在相同的PDN內(nèi)增強(qiáng)其動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，或使其適應(yīng)更高電壓的電源。

這兩種電源拓?fù)涞母鞣N供電網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可為設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)符合其設(shè)計(jì)目標(biāo)的移動(dòng)系統(tǒng)提供多種選項(xiàng)。

模塊化方法的尺寸、重量及性能優(yōu)勢(shì)

為高級(jí)機(jī)器人設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)時(shí)，針對(duì)每個(gè)所需的負(fù)載電壓簡(jiǎn)單地重復(fù)使用可靠的DC-DC轉(zhuǎn)換器極具誘惑力，因?yàn)檫@種需求以全新的有效載荷形式出現(xiàn)，無(wú)論是為L(zhǎng)IDAR、GPU、伺服驅(qū)動(dòng)器供電，還是為LED探照燈等恒流負(fù)載供電，都是如此。不斷發(fā)展的系統(tǒng)復(fù)雜性也適時(shí)表明了需要對(duì)電源需求和架構(gòu)進(jìn)行更全面的了解。為使用最新電源轉(zhuǎn)換器技術(shù)設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)提供了顯著的尺寸、重量、性能及成本優(yōu)勢(shì)。只有在負(fù)載容限范圍大、電池電壓范圍窄以及隔離層數(shù)量少的情況下，在最大功率持續(xù)時(shí)間短以及待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)的系統(tǒng)中，這些優(yōu)勢(shì)才會(huì)增加。使用更高效率的更新非隔離降壓或升降壓轉(zhuǎn)換器，即使輸入電壓高于24，也可提高整體系統(tǒng)性能。

固定比率轉(zhuǎn)換器支持低阻抗路徑和快速瞬態(tài)響應(yīng)。這些產(chǎn)品的智能布置有助于電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等負(fù)載快速提取電流，消除了穩(wěn)壓DCDC 變換器固有的響應(yīng)延遲，以及長(zhǎng)距離低壓線(xiàn)纜上的壓降。

這兩種方法都能實(shí)現(xiàn)本文將探討的全新架構(gòu)解決方案。

探索典型的機(jī)器人系統(tǒng)需求

考慮兩個(gè)機(jī)器人平臺(tái)，它們的電池電源和各種高功率負(fù)載如圖1所示。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，該電池可作為第一款支持15-S LiFePO4和57V浮動(dòng)電壓的電池，就像用于帶操作器或其它伺服驅(qū)動(dòng)器的越野“最后一英里”送貨機(jī)器人一樣；與基于24V或48V的系統(tǒng)相比，57V可提高能量密度。想象一下，如果還要求在一個(gè)更大的平臺(tái)上安裝相同或更強(qiáng)大的“大腦和肌肉”，比如自動(dòng)駕駛卡車(chē)或帶 200-S 電池（支持770V浮動(dòng)電壓）的收割機(jī)機(jī)器人，或者從頭設(shè)計(jì)，該怎么辦。

圖 1：這兩個(gè)機(jī)器人平臺(tái)的規(guī)模 大不相同，但它們的供電網(wǎng)絡(luò)卻有很多共同之處。模塊化方法有助于高度靈活地完成初始設(shè)計(jì)，通常能加速交付后續(xù)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

負(fù)載要求如下：

? 有發(fā)電功能的 48V 和/或 24V 伺服驅(qū)動(dòng)器

? 12V GPU 及 CPU 電路板、50A 以上的電流

? 電流為幾十安培的 5V 和 3.3V 電軌

? 其它外設(shè)所需的任何較低功耗的輔助電壓

從負(fù)載需求反向推理，可構(gòu)建一個(gè)電源樹(shù)，展示如何產(chǎn)生每一組所需的電壓（圖 2）。這種方法可幫助設(shè)計(jì)人員優(yōu)化設(shè)計(jì)中的穩(wěn)壓級(jí)、隔離級(jí)及變壓級(jí)數(shù)量。這可減少與不必要復(fù)雜架構(gòu)、噪聲、穩(wěn)定性問(wèn)題及不良?jí)航涤嘘P(guān)的損耗，帶來(lái)一個(gè)可擴(kuò)展、通用的簡(jiǎn)單高效電源解決方案。

圖 2：由 11VDC SELV（安全超低電壓）電池或 770V 較大車(chē)輛電池（降壓至大約 48V）供電的較低電壓電源供電網(wǎng)絡(luò)。

低壓電源：高效率、寬輸入范圍的降壓和升降壓轉(zhuǎn)換器

從24或57V電池等超低電壓電源供電時(shí)（圖 2），所有負(fù)載通常都連接至電池負(fù)極，無(wú)需隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。更好的設(shè)計(jì)將采用現(xiàn)代高壓降壓轉(zhuǎn)換器，在低待機(jī)功耗下提供96 ~ 97%的效率，延長(zhǎng)電池使用壽命。如果輸入輸出電壓比允許降壓轉(zhuǎn)換器在占空比最有效點(diǎn)附近工作，共模 EMI 噪聲就會(huì)非常小。在本示例中，最佳降壓工作需要將大約 57V 的電池電壓降至大約 12V。

許多基于 MOSFET 的硬開(kāi)關(guān)降壓轉(zhuǎn)換器在使用24V以上電壓（而非較低的VIN）供電時(shí)，由于開(kāi)關(guān)損耗，會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱，其“97%的效率”是指定的。例如，從24V平臺(tái)升級(jí)到48V或57V時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗將呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，而且與VIN成正比，產(chǎn)生的熱量顯著增加。降低開(kāi)關(guān)頻率，不僅可降低損耗，而且還可最大限度降低接通時(shí)間問(wèn)題，但這會(huì)增大輸出電感器及電容器的尺寸。

在這里，48V背板在其它高功率計(jì)算及汽車(chē)應(yīng)用中的迅速采用，為同理改進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)提供了模型。因此，一些制造商已針對(duì)超過(guò)48至12V的輸出將降壓轉(zhuǎn)換器的效率提高到真正的96 — 97%，而且對(duì)于低至2.5V的輸出而言，結(jié)果類(lèi)似。

圖 3 從所提供的選擇的角度，顯示了在80%負(fù)載的相同條件下，使用40至60V輸入的幾款 600W、12V轉(zhuǎn)換器的典型效率、損耗和尺寸：

? 解決方案A：一款 ZVS 隔離式反激轉(zhuǎn)換器，是眾多設(shè)計(jì)人員開(kāi)發(fā)時(shí)的共同首選

? 解決方案B：另一款ZVS隔離式反激轉(zhuǎn)換器，針對(duì)較寬輸入電壓范圍提供更高電壓的晶體管。這可能對(duì)覆蓋多個(gè)輸入電壓平臺(tái)非常實(shí)用

? 解決方案C：一款具有低開(kāi)關(guān)損耗、無(wú)變壓器損耗的同步 ZVS 降壓轉(zhuǎn)換器

? 解決方案D：將 VIN 降低 ? 的正弦振幅轉(zhuǎn)換器 （SAC?）（一種固定比率DC-DC轉(zhuǎn)換器）。該解決方案由于其高帶寬和無(wú)穩(wěn)壓原因，只需很少的存儲(chǔ)元件

? 解決方案E：一款與解決方案D相同的SAC解決方案與升降壓轉(zhuǎn)換器合封，增加了穩(wěn)壓器損耗，但在40 - 60V的較窄輸入下，效率仍能與 ? 磚型DC-DC產(chǎn)品相媲美，盡管其尺寸僅為 1/16

圖 3：600W、48 - 12V 解決方案可擴(kuò)展，包括所需的外部組件。（A） 2 個(gè) 36 - 75V、320W 隔離式穩(wěn)壓模塊。（B） 3 個(gè) 43 - 154V、240W 寬范圍隔離穩(wěn)壓模塊。（C） 4 個(gè) 30 – 60V、216W、18A 降壓轉(zhuǎn)換器。（D） 1 個(gè) 40 – 60V、750W 固定比率轉(zhuǎn)換器。（E） 1 個(gè) 40 – 60V、750W 升降壓 + 固定比率。使用生產(chǎn)單元測(cè)量的功耗。

對(duì)于比典型降壓轉(zhuǎn)換器在不降低開(kāi)關(guān)頻率、增大體積，也不過(guò)多影響性能的情況下，能處理的更大的電壓差，可采用數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中常用的模塊化兩級(jí)DC-DC方案 （分比式電源） （圖 4）。36-75V升降壓穩(wěn)壓器在效率為96-98%時(shí)，在97.8% 4:1電流倍增器（以下討論的固定比率轉(zhuǎn)換器）的輸入端設(shè)置精確的48V電壓，以實(shí)現(xiàn)更小的空間和高動(dòng)態(tài)性能、高可靠性和高效率?？蓮碾娏鞅对銎鞯妮敵霁@得穩(wěn)壓器反饋，改進(jìn)穩(wěn)壓。在60V以上選擇75V額定值，因?yàn)樵陔姍C(jī)驅(qū)動(dòng)環(huán)境中，電源電壓可能會(huì)出現(xiàn)超過(guò)60V的峰值，如下文所述。

圖 4：由兩個(gè)轉(zhuǎn)換級(jí)組成的 720W（1kW 峰值）48 - 12V 降壓轉(zhuǎn)換器的示意圖。

固定比率轉(zhuǎn)換器：高性能電壓變壓/隔離

正弦振幅轉(zhuǎn)換器 （SAC?） 等固定比率轉(zhuǎn)換器，與降壓轉(zhuǎn)換器或隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器相比，可提供最高的效率性能。顧名思義，它們以K=VOUT/VIN的固定比率將輸入電壓 （VIN） 轉(zhuǎn)換為輸出電壓 （VOUT），沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)壓。在沒(méi)有任何控制環(huán)路延遲的情況下，輸入電壓的任何波動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致按K縮放的輸出波動(dòng)。

從概念上講，SAC轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部工作有三級(jí)：

1. 輸入側(cè)開(kāi)關(guān)級(jí)，將DC輸入轉(zhuǎn)換為正弦信號(hào)。

2. 理想的變壓器級(jí)，按輸入端和輸出端的匝數(shù)比調(diào)節(jié)AC電壓/電流。

3. 輸出側(cè)同步整流器，將正弦變壓器輸出轉(zhuǎn)回DC。

通過(guò)在開(kāi)關(guān)級(jí)使用零電流、零電壓開(kāi)關(guān) （ZCS/ZVS） 技術(shù)，可在固定比率轉(zhuǎn)換器中實(shí)現(xiàn)高達(dá)98%的效率，從而不僅可最大限度降低開(kāi)關(guān)損耗，而且還可實(shí)現(xiàn)比硬開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器高很多的開(kāi)關(guān)頻率（通常在幾 MHz 范圍內(nèi)）。隨后將按比例減少無(wú)功組件和 EMI 濾波器，這不僅可降低空間占用，而且還可顯著提高功率密度。

固定比率轉(zhuǎn)換器與AC變壓器類(lèi)似，AC變壓器自身基本都是用于電網(wǎng)配電的固定比率轉(zhuǎn)換器。變壓器有助于在世界各地進(jìn)行實(shí)際配電。采用比電源和負(fù)載電壓幾倍高的電壓來(lái)遠(yuǎn)距離傳輸功率，明顯會(huì)降低在這些高電壓下傳輸?shù)碾娏?，這不僅產(chǎn)生了輕量級(jí)低成本的傳輸線(xiàn)路，而且還帶來(lái)了只有負(fù)載點(diǎn)附近低壓線(xiàn)纜的短時(shí)間運(yùn)行。模擬跨越多個(gè)點(diǎn)，因?yàn)楣潭ū嚷兽D(zhuǎn)換器也可高效實(shí)現(xiàn)電池升壓的雙向工作/重新生成，為許多較高電壓負(fù)載供電，這實(shí)際可創(chuàng)建一個(gè)虛擬的較高電壓電池和/或傳輸線(xiàn)路。它還允許應(yīng)用在高壓電池或母線(xiàn)中重新生成制動(dòng)能量。固定比率轉(zhuǎn)換器不僅可輕松并聯(lián)，而且天生就能使用 Droop 均流方法，均流精度主要看每個(gè)并聯(lián)支路的阻抗。

許多DC-DC轉(zhuǎn)換器等隔離式固定比率轉(zhuǎn)換器能夠與輸出串聯(lián)（圖 5），從電池生成多個(gè)獨(dú)立輸出，不僅無(wú)需在移動(dòng)設(shè)備中提供輔助電池，而且還可在簡(jiǎn)化機(jī)器人框架設(shè)計(jì)的同時(shí)，減少轉(zhuǎn)換器數(shù)量并減輕系統(tǒng)重量。例如，假設(shè)一款400V系統(tǒng)需要低阻抗12V及24V 電壓軌。兩款輸出串聯(lián)的隔離式 1:32 轉(zhuǎn)換器可能會(huì)通過(guò)使用串行連接或其中點(diǎn)創(chuàng)建兩個(gè)母線(xiàn)，帶來(lái)無(wú)限可能。

圖 5：輸入并聯(lián)、輸出串聯(lián)的隔離式固定比率轉(zhuǎn)換器，可疊加其輸出電壓。

阻抗反射可降低有效電源阻抗

固定比率轉(zhuǎn)換器從一次到二次反射阻抗，類(lèi)似于聯(lián)網(wǎng) AC 變壓器。這在機(jī)器人應(yīng)用中非常有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)楫?dāng)阻抗在變壓器上反射時(shí)，其量級(jí)將按其轉(zhuǎn)換比的平方擴(kuò)展。

圖 6：阻抗反射可按K2 的因數(shù)降低有效電源的阻抗，從而可減少所需的電容。

即使在低電壓系統(tǒng)中，如最初示例中的兩個(gè)移動(dòng)機(jī)器人，也可利用阻抗反射效應(yīng)來(lái)最大限度提高儲(chǔ)能元件（如大型旁路電容器、EMI 濾波器和其它電路參數(shù)等）的效用?？紤]在大型機(jī)器人框架間配送高電壓，然后將其轉(zhuǎn)換為低電壓用于諸如伺服驅(qū)動(dòng)器或人工智能處理器等高動(dòng)態(tài)負(fù)載的 770V 自動(dòng)駕駛汽車(chē)系統(tǒng)：從負(fù)載角度回顧電源，除了所有配電阻抗外，電池阻抗似乎都會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實(shí)際阻抗。

使用K=1/16固定比率轉(zhuǎn)換器 （BCM4414） 將 770V 電池電壓轉(zhuǎn)換為大約48V時(shí)，其結(jié)果是降低電源阻抗，因此輸入電容降低了 256 倍，如圖 6 所示。鑒于RESR、額定電壓、使用壽命和性能，這種輸入電容器的物理尺寸只是等效輸出電容器尺寸的一小部分，而等效輸出電容器的尺寸與轉(zhuǎn)換器本身的尺寸相當(dāng)。使用穩(wěn)壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，這在一定程度上是可以實(shí)現(xiàn)的。與固定比率轉(zhuǎn)換器相比，這些轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)壓環(huán)路的帶寬要低很多。這些相關(guān)延遲加上與許多轉(zhuǎn)換器斷續(xù)導(dǎo)電模式相關(guān)的延遲，有效增加了其阻抗，限制了相關(guān)作用。

對(duì)于這些高度動(dòng)態(tài)的強(qiáng)大負(fù)載，降低電阻及電感阻抗，可改善動(dòng)態(tài)與靜態(tài)性能。電機(jī)通常使用具有高瞬態(tài)電流變化的高頻率脈沖驅(qū)動(dòng)，因此明顯的電源阻抗將使在其終端提供的電壓和電流失真。同樣，廣泛PDN內(nèi)的寄生電感會(huì)限制提供給電機(jī)繞組的電流，從而限制轉(zhuǎn)矩。

機(jī)器人應(yīng)用注意事項(xiàng)

輕量級(jí)低阻抗線(xiàn)束的穩(wěn)定配電網(wǎng)絡(luò)

隨著電源需求的增加，由于以上原因，我們需要將簡(jiǎn)單的原理用于配電路由及線(xiàn)束，利用所討論的轉(zhuǎn)換器探索更高電壓的配電（轉(zhuǎn)換至接近負(fù)載的負(fù)載電壓），以便較低電流減少配電損耗、（動(dòng)態(tài)）壓降以及EMI干擾。此外，低電感布局與布線(xiàn)（利用在相鄰 PCB層上提供密閉環(huán)路、雙絞線(xiàn)或路由的磁場(chǎng)抵消）可能也有幫助。轉(zhuǎn)換器一般需要其電源的AC阻抗比負(fù)載阻抗（達(dá)到其控制環(huán)路的帶寬）小10倍，特別是在動(dòng)態(tài)負(fù)載限制壓降時(shí)，如圖8示例所示，這符合穩(wěn)定性分析的Middlebrook標(biāo)準(zhǔn)。因此，在優(yōu)化安培容量的線(xiàn)規(guī)時(shí)，其AC阻抗可通過(guò)在轉(zhuǎn)換器的輸入端提供適當(dāng)大小的電容器來(lái)降低，也可降低較長(zhǎng)線(xiàn)路運(yùn)行時(shí)的AC流耗和干擾。

效率和電池使用壽命

在電池使用壽命方面，DC-DC轉(zhuǎn)換器的損耗似乎可以忽略不計(jì)，因?yàn)檫@些損耗通常比其負(fù)載低一個(gè)數(shù)量級(jí)，但當(dāng)相關(guān)負(fù)載處于睡眠模式時(shí)，它們可能會(huì)欺騙性地以空載損耗的形式累加。正如所有數(shù)據(jù)表顯示的那樣，基于變壓器的DC-DC轉(zhuǎn)換器在啟用運(yùn)行其控制并磁化/消磁主要開(kāi)關(guān)變壓器時(shí)，通常會(huì)消耗大量的電源；它們可以輕松累加至其全部電源容量的0.5-1%。一些穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換器在空載時(shí)功耗甚至更大，因此需要（或構(gòu)建）一個(gè)為最大負(fù)載百分之幾的預(yù)加載來(lái)穩(wěn)定輸出。

不需要時(shí)，禁用這些轉(zhuǎn)換器及其負(fù)載，可能是一個(gè)很好的選項(xiàng)，但即使禁用，功耗可能也會(huì)很大。

盡可能少選基于變壓器的轉(zhuǎn)換器，理想情況下每個(gè)隔離層都需要一個(gè)，然后再部署降壓或升降壓轉(zhuǎn)換器，為相同的返回路徑提供額外的輸出，這樣可相應(yīng)減少空閑損耗。

由于采用脈沖跳變或更高級(jí)技術(shù)，許多降壓或升降壓轉(zhuǎn)換器的靜態(tài)電流都以毫安為單位。

固定比率還是穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換？

如果負(fù)載的輸入電壓范圍等于或大于電源的輸入電壓范圍，固定比率轉(zhuǎn)換器由于其尺寸、效率和性能原因，可能是最好的選項(xiàng)。

一個(gè)770-48V1.5kW固定比率轉(zhuǎn)換器（圖 7）的損耗大約是一個(gè)穩(wěn)壓DC-DC正向轉(zhuǎn)換器損耗的1/2 - 1/3，因?yàn)榉€(wěn)壓DC-DC正向轉(zhuǎn)換器有穩(wěn)壓級(jí)，在變壓器中有額外的損耗。一個(gè)不太合適但很實(shí)用的比較是，之前從車(chē)輛AC發(fā)電機(jī)提供相同驅(qū)動(dòng)的AC-DC轉(zhuǎn)換器，整流器和典型PFC升壓級(jí)會(huì)產(chǎn)生額外的損耗。這進(jìn)一步說(shuō)明了在建筑物、大型設(shè)備或機(jī)器人車(chē)輛中使用DC電網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)。后兩項(xiàng)最新開(kāi)發(fā)相比之下分別可達(dá)94%和91%，但固定比率轉(zhuǎn)換器沒(méi)有相同的穩(wěn)壓功能或相關(guān)損耗。

圖 7：（從上到下）K = 1/16 帶散熱器的固定比率轉(zhuǎn)換器、一款帶散熱器、在市場(chǎng)上提供的穩(wěn)壓 DC-DC 轉(zhuǎn)換器陣列，以及一款以發(fā)電機(jī)為導(dǎo)向的 AC-DC 轉(zhuǎn)換器（風(fēng)扇散熱）。

高動(dòng)態(tài)負(fù)載

直接從電池給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器供電時(shí)，電池及線(xiàn)纜阻抗會(huì)導(dǎo)致壓降，而且這些阻抗也會(huì)限制電流。壓降和電流限制都與線(xiàn)規(guī)和負(fù)載距離電源的距離有數(shù)學(xué)關(guān)系。

使用固定比率轉(zhuǎn)換器降低負(fù)載位置出現(xiàn)的有效電源阻抗，但這也會(huì)提高轉(zhuǎn)換器位置出現(xiàn)的、最終將出現(xiàn)在電源位置的峰值電流。為防止過(guò)流及短路故障，在轉(zhuǎn)換器中構(gòu)建的保護(hù)可能會(huì)由高動(dòng)態(tài)負(fù)載觸發(fā)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加以考慮。

例如，如圖8所示、為4個(gè)35A、K=1/16固定比率轉(zhuǎn)換器供電的770V輸入電壓和電流（如圖7所示）。將圖6作為框圖，ROUT=3.5m?、ZPDN=10?（包含可忽略的電池阻抗），為48V電機(jī)驅(qū)動(dòng)器供電。

將轉(zhuǎn)換器布置在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器附近，使其僅在10/256=約40m?時(shí)，出現(xiàn)10?阻抗源，共 43.5m?，包括無(wú)48V線(xiàn)纜的ROUT。源出的峰值電流為14.7A，因?yàn)槌似骄娏魍猓妥杩罐D(zhuǎn)換器還提供PWM電流峰值，需要將其指定為4 - 5A的更高峰值電流容量。

圖 8：（左）20ms/div 的 770V 輸入端的示波器圖像、在 100V/div 時(shí)為【紅色】、2A/div 的電流【黃色】，通過(guò)一個(gè) 6kW【峰值 8kW】固定比率轉(zhuǎn)換器加速 48V 電機(jī)，顯示加速步驟和 PWM 脈沖；（右）100μs/div 的峰值詳細(xì)信息。

圖9是阻抗反射的作用。在輸出端使用一個(gè)10μF、30m? RESR輸入電容器，而不是龐大的10mF、3m? RESR電容器。這將電源線(xiàn)上的輸入紋波電流從11降到了1AP-P，大大降低了AC阻抗從10?降至大約1?帶來(lái)的損耗。通過(guò)小型輸出LC濾波器將峰值電流降至 9.75A，高于轉(zhuǎn)換器8.75A的連續(xù)電流限制，但完全在14A的短期電流限制范圍內(nèi)。

圖 9：40A/div 時(shí)，轉(zhuǎn)換器輸出為 180APK（黃色）；2A/div 的輸入電流（藍(lán)色）。通過(guò)輸入端布置的電容減少紋波。（左）20ms/div（右邊）0.1ms/div.

電容性負(fù)載

啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和計(jì)算電路板充當(dāng)大電容負(fù)載。計(jì)算卡可能有大量的板載降壓轉(zhuǎn)換器，每一個(gè)都配有大容量輸入電容器和/或額外的LC濾波器。為其供電的DC-DC轉(zhuǎn)換器需要有一個(gè)指定的容許外部負(fù)載的寬范圍電容，或者在后面布置某種形式的預(yù)充電電路，以支持大電容負(fù)載，這是使用固定比率轉(zhuǎn)換器為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器供電經(jīng)常出現(xiàn)的情況。

此外，這也是設(shè)計(jì)后期經(jīng)常忽視的項(xiàng)目。一些穩(wěn)壓器，特別是升降壓穩(wěn)壓器，也針對(duì)電池充電進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)，支持單獨(dú)的電流控制環(huán)路和/或可調(diào)軟啟動(dòng)時(shí)間，允許它們與海量負(fù)載電容聯(lián)用。

能源再生與輸入電壓注意事項(xiàng)

在動(dòng)態(tài)運(yùn)行或制動(dòng)時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可作為發(fā)電機(jī) （8）。在我們的57V示例中，主電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的再生反向電流將通過(guò)連接線(xiàn)束給電池充電，沿著路徑提高其電壓，使其與相關(guān)阻抗成比例，可能會(huì)達(dá)到60V以上。隨后，任何由它供電的DC-DC轉(zhuǎn)換器的電壓都不要額定為通用60V，而是更高。

此外，圖6中的原理圖也適用于其中由雙向轉(zhuǎn)換器為這種電機(jī)驅(qū)動(dòng)器供電的配電網(wǎng)絡(luò)，如圖8中的示例所示。再生能量可通過(guò)該轉(zhuǎn)換器提高與ZOUT成比例的低電壓及高電壓端電壓。如果轉(zhuǎn)換器為單向，這種再生能源就會(huì)被阻塞，只能給輸出電容器COUT充電。因此，再生能源及其產(chǎn)生的電壓上升應(yīng)該受到限制，如果可能的話(huà)，應(yīng)保持在轉(zhuǎn)換器和COUT的最大輸出電壓規(guī)范范圍內(nèi)，也可實(shí)施一個(gè)制動(dòng)電路來(lái)吸納該能量。

為了優(yōu)化性能，擴(kuò)大工作范圍并提高生產(chǎn)力和靈活性，我們鼓勵(lì)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員繪制其應(yīng)用的電源樹(shù)，權(quán)衡不同類(lèi)型的轉(zhuǎn)換器組合及PDN設(shè)計(jì)策略。在整個(gè)平臺(tái)上配送較高電壓并在負(fù)載點(diǎn)附近 將其變?yōu)樗璧碾妷?，非常有?yōu)勢(shì)。

創(chuàng)造性地使用Vicor高密度、高性能固定比率轉(zhuǎn)換器模塊和降壓和/或升降壓穩(wěn)壓器模塊，可通過(guò)高效輕量級(jí)的供電為每個(gè)負(fù)載實(shí)現(xiàn)最佳性能。將這些技術(shù)結(jié)合起來(lái)，就可對(duì)具有適度寬輸入范圍的高效率、非隔離式終端功率級(jí)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)化。這些可通過(guò)配置適當(dāng)傳輸比的固定比率轉(zhuǎn)換器連接至較高電壓電池架構(gòu)。

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