無人駕駛飛行器（UAV）未來市場成功的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)是可靠性。我們希望他們攜帶包裹或?qū)θ丝诔砻艿貐^(qū)進(jìn)行監(jiān)視。突然意外的動力損失對于空中無人機(jī)來說是不可接受的，因?yàn)楫?dāng)他們跌落到地面時會有旁觀者受傷的風(fēng)險(xiǎn)。因此，冗余是設(shè)計(jì)架構(gòu)的重要組成部分，尤其是電力傳輸子系統(tǒng)，因?yàn)樗粌H可以實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)系統(tǒng)，還可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子葉片本身。

通過冗余提高可靠性的可能架構(gòu)是使用兩個或多個單獨(dú)的電池組，每個電池組供電一個單獨(dú)的DC/DC轉(zhuǎn)換器。如果一個電池或轉(zhuǎn)換器發(fā)生故障，其他電池或轉(zhuǎn)換器可以接管，盡管飛行時間大大縮短。然而，這應(yīng)足以使無人機(jī)進(jìn)入受控著陸。

N + 1架構(gòu)已被證明是大型系統(tǒng)中一種經(jīng)濟(jì)有效的方法，可提供容錯功能。在正常操作條件下一次電源失效的概率非常低，因此在電流共享模式下運(yùn)行的兩個或三個陣列中增加一個額外的電源不會顯著增加成本。在實(shí)踐中，由于尺寸和重量問題，雙冗余1 + 1架構(gòu)可能在無人機(jī)設(shè)計(jì)中受到青睞。

在雙冗余架構(gòu)中，選擇合適的DC/DC非常重要轉(zhuǎn)換器，因?yàn)槿绻粋?cè)發(fā)生故障，電流負(fù)載會發(fā)生變化。通常，轉(zhuǎn)換器在較高負(fù)載下表現(xiàn)出效率的提高，在接近滿負(fù)載時達(dá)到峰值。在正常情況下，每個DC/DC轉(zhuǎn)換器的工作負(fù)載不到50％，這可能意味著效率下降。多相轉(zhuǎn)換器架構(gòu)可以幫助解決問題。

這種設(shè)計(jì)使用多個開關(guān)電路在滿負(fù)載下執(zhí)行轉(zhuǎn)換。隨著負(fù)載需求下降，可以關(guān)閉不再使用的相位，而剩余的相位則以接近峰值效率運(yùn)行。

在使用多個轉(zhuǎn)換器的電源電路中，僅僅是簡單的將輸出連接到一起。一個問題是兩個轉(zhuǎn)換器不會平均分配電流需求，并且它存在負(fù)載調(diào)節(jié)的問題。如果電源脫機(jī)，可能會出現(xiàn)短路故障，導(dǎo)致整個系統(tǒng)發(fā)生故障。 ORing器件用于保護(hù)系統(tǒng)免受功率分配問題的影響。

最簡單的形式是，ORing器件是二極管。通過允許電流僅在一個方向流動，ORing二極管將故障與冗余總線隔離，允許系統(tǒng)使用剩余的電源繼續(xù)運(yùn)行。就其本質(zhì)而言，二極管將瞬間斷開輸入電源的短路。然而，由于效率考慮，傳統(tǒng)的二極管可能不是最合適的選擇，特別是在能量效率方面。在ORing應(yīng)用中，二極管的大部分工作壽命將用于正向?qū)Ｊ剑捎诙O管固有的壓降而耗散功率和熱量。

用N溝道MOSFET調(diào)用更換ORing二極管雖然復(fù)雜程度略有提高，但MOSFET的導(dǎo)電性和低壓降提高了效率和冷卻的可能性 - 因此節(jié)省了散熱器的額外重量，盡管很小。事實(shí)上，與二極管相比，有源ORing解決方案的功耗可降低10倍。

有一個主動ORing的權(quán)衡。接通時，與二極管不同，它允許電流在源極和漏極之間的任一方向流動。如果輸入電源由于短路而發(fā)生故障，則可以感應(yīng)出大的反向電流，并且只要MOSFET導(dǎo)通，MOSFET就會通過電流。冗余總線不能長時間暴露在輸入短路中，否則總線電壓將下降并導(dǎo)致系統(tǒng)故障。因此，基于MOSFET的ORing系統(tǒng)必須能夠快速檢測反向電流故障條件。

控制器電路檢測源極和漏極兩端的電壓，以確定流過MOSFET的電流的大小和極性。 MOSFET。柵極控制引腳根據(jù)控制器算法在導(dǎo)通和非導(dǎo)通狀態(tài)之間切換MOSFET。由此產(chǎn)生的行為是整流器的行為 - MOSFET的源極和漏極引腳分別作為二極管的陽極和陰極引腳。

最關(guān)鍵的參數(shù)是反向電流閾值：當(dāng)超過它時提供輸入電源故障的指示。該閾值需要處于允許一致且快速檢測故障的水平。故障的響應(yīng)時間需要很快，以限制冗余總線上的反向電流量和潛在電壓下降量。

圖1：使用TPS241x系列器件在電源總線上使用ORing控制器。

雖然分立電路可以控制N溝道MOSFET，現(xiàn)成的解決方案，如德州儀器TPS2412和TPS2413，可提供對反向電流的快速響應(yīng)。 TPS2412和TPS2413主要區(qū)別在于設(shè)置MOSFET狀態(tài)的控制環(huán)路。 TPS2412為輸入電壓的較慢變化提供了更溫和的開啟和關(guān)閉策略，這也降低了在輕載時執(zhí)行開關(guān)循環(huán)的趨勢，這可能發(fā)生在更簡單的僅比較器電路上。這可以使MOSFET在調(diào)節(jié)有效時在輕負(fù)載時看起來具有高電阻。當(dāng)從輕負(fù)載條件施加大的階躍負(fù)載時，發(fā)生瞬時輸出電壓下降。 TPS2412更適合于可以在中間軌道總線上使用的情況，該總線為下游負(fù)載點(diǎn)調(diào)節(jié)器樹供電。如果MOSFET上的電壓大于10 mV，則TPS2413將導(dǎo)通MOSFET，如果閾值變?yōu)樨?fù)，則執(zhí)行快速關(guān)斷。對于要實(shí)施的關(guān)閉，閾值必須是負(fù)的，在非常輕的負(fù)載下可能并非總是如此。然而，在飛行中，無人機(jī)不太可能處于這種情況。輕載條件下的階躍負(fù)載在沒有明顯電壓下降的情況下進(jìn)行處理，這有助于保持輸出總線的穩(wěn)壓。

圖2：Cool-ORing設(shè)備的典型用途。

另一種方法是選擇將MOSFET和控制器封裝在一起的封裝器件，例如Vicor的Cool-ORing系列器件。它們將高速ORing MOSFET控制器和極低導(dǎo)通電阻MOSFET組合在一個5 x 7 mm的柵格陣列（LGA）封裝中。這些封裝可實(shí)現(xiàn)低至1.5μΩ的典型導(dǎo)通電阻，同時可在寬工作溫度范圍內(nèi)提供高達(dá)24 A的連續(xù)負(fù)載電流。該設(shè)計(jì)可用于低壓，高端應(yīng)用，通過將支持電路封裝在一起，與分立式解決方案相比，可節(jié)省電路板空間。這些組件可以快速響應(yīng)80 ns的故障條件。

通過為冗余行為提供高效支持，ORing架構(gòu)中的MOSFET控制器代表了構(gòu)建可靠無人機(jī)的解決方案的一部分。結(jié)合高效率的DC/DC轉(zhuǎn)換器將有助于使它們在空中傳播更長時間。

圖3：傳統(tǒng)二極管和MOSFET控制器之間的功率效率比較，以Cool-ORing系列為例。