作者：Dave Berry，高級首席應用工程師

DC-DC 轉換器為受尺寸與重量約束的平台提供高功率脈衝

無論是探測還是壓制敵方無人機或無人機蜂群，反無人機系統（UAS）平台均依賴能够向負載提供短時高功率脈衝的供電網路（PDN）。 然而，挑戰在於優化供電源，以確保速度與可靠性。

在大多數情况下，若要支撐持續的峰值負載，PDN 需要配備極為笨重的電源，從而新增尺寸與重量。遺憾的是，反無人機系統（C-UAS）通常為移動式，由電池或發電機供電，這從根本上限制了其 PDN 的峰值功率能力。 雖然平台的脈衝發射器可能需要在數百微秒內消耗數十千瓦功率，但大多數 C-UAS 系統僅能提供其中很小一部分。

功率平均技術提供了一種高效的解決方案。 採用功率平均技術時，並非按照僅在短暫時間內出現的峰值功率工况來確定整個電源的規模，而是將限流轉換器與大容量電容配對，從而提供遠超轉換器單獨所能提供的功率。憑藉高功率密度、快速電容充電能力以及對大容量電容的安全運行能力，高密度模組化 DC-DC 轉換器使功率平均技術得以在 C-UAS 系統中落地應用。

功率平均技術助力提升 C-UAS 的速度與效能

對於負載僅短時開啟且重複出現的應用，一種解決方案是使用限流轉換器與電容來滿足峰值功率需求。 在配置此類電源系統時，設計人員必須考慮電源的電流限制、功率限制與穩定性，並合理確定電容尺寸，以確保負載處的壓降保持在容差範圍內。脈衝發射器、雷達與雷射雷達陣列以及類似的脈衝型 C-UAS 負載，均可利用功率平均技術降低系統的成本、佔用空間與重量。

當負載能够承受較寬的輸入電壓範圍時，功率平均配置非常有效。這種情況通常出現在負載為另一穩壓器件（通常為負載點轉換器）或若干此類穩壓器件時。

當負載點（PoL）或負載需要功率時，由於 DC 轉換器將進入限流狀態，同時為電容和負載供電，電容將提供較大比例的負載電流。 隨著電容提供 PoL 或負載電流，其電壓將開始下降。 必須合理確定電容的尺寸，以確保其兩端電壓始終處於 PoL 轉換器的輸入電壓範圍內（公式 1）。

公式 1:C 為保持電容值，P 為每個脈衝期間所需功率，T1–T2 為脈衝持續時間，V1 為脈衝開始前的起始電壓，V2 為負載脈衝結束時的最終電壓。

為儘量減少所需電容，設計人員可將電容充電至 PoL 的最高輸入電壓，並允許在脈衝持續期間通過功率消耗使電容電壓降至 PoL 的最低輸入電壓。

通過設定限流器防範電源系統故障

DC-DC 轉換器通常設計為在最大功率水准以內調節電壓，因而具有最大電流和功率額定值。若負載（例如 C-UAS 發射器中的雷達負載）試圖從電源汲取超過額定電流的電流，電源通常會進入限流模式，或折返輸出電壓，或關斷後重啓。

限流值通常設定在略高於最大額定電流的位置，以便在轉換器的設定電壓點實現滿功率輸出。 額定 500W、48V_DC的轉換器，其最大持續電流額定值為 500W÷48V_DC = 10.4A。 然而，限流功能可能要到輸出電流達到 13A 時才會啟動。

限流功能通常針對負載故障而設計，轉換器在其生命週期內僅會幾次進入限流狀態。 如果轉換器並非按限流作為正常工作模式來設計，那麼過於頻繁地進入限流會對其內部組件造成應力，並縮短電源系統的使用壽命。

若負載在設定電壓點汲取的電流超過最大電流但低於限流值，電源將長期過功率運行，最終可能導致電源系統故障。因此，額定 500W、48V_DC、限流值設為 13A 的轉換器，在限流啟動前將承受高達 624W 的過功率。

應對大容量電容帶來的複雜性

在功率平均應用中採用大容量電容，可能給 DC 電源系統帶來諸多複雜性。上電時，較大的電容（許多情况下可達數千微法）可能將 DC 電源拉入限流狀態。 鑒於內寘限流器可能帶來的問題，通常需要使用外部限流電路，以將電源限制在其最大電流和最大功率額定值範圍內。

反無人機系統電源設計人員可對電容進行預充電，或添加串聯電阻，以便在啟動時限制電流，待外部限流電路啟動後，即可將其短接（圖 1）。 預充電電路和限流電路可能較為複雜，且會佔用寶貴的電路板空間。 外部限流電路還必須具備足够的響應速度，以捕捉過流事件。

這可能帶來挑戰，因為即使只有幾個開關週期，也可能引發過流事件。 DC 電源成功上電後，電源系統必須保持穩定。 對於某些 DC-DC 轉換器而言，大容量電容可能導致電壓控制環路失穩，進而引發電源或系統故障。 此類潜在穩定性問題可通過接入電源系統的控制環路加以解决，但這需要複雜且耗時的工程工作。

為高電容反無人機負載設計的 DC-DC 轉換器至關重要

若電源轉換器未按其輸出端可承受大容量電容進行設計，則週邊電路可能變得極為複雜。 然而， Vicor DCM™  DC-DC 轉換器按其輸出端可承受大量電容進行設計，即使驅動高達 10 毫法的電容值，也能在其最大電流額定值與功率額定值範圍內正常運行。若在啟動期間切入更大電容，亦可予以應對。 DCM 具備安全的限流功能，這意味著它可在模組的設定電壓點安全運行，因為 DCM 能够在短時間內提供超過其額定功率的功率（圖 2）。

啟動時，DCM 將在其規定工作區域內將電容驅動至目標電壓。電容充電完成後，轉換器的控制環路可在正常運行期間保持穩定。

若應用按功率平均進行設計，則湧入下游 PoL 的初始功率脈衝將超過轉換器的承載能力。PoL 輸入電流將由電位最高的電壓源提供。由於電容存在 ESR，轉換器輸出可能具有更高的電位，並將持續提供初始浪湧電流，直至其輸出因限流而下降。DCM 設計為可承受該浪湧電流，直至其內部限流接管。 一旦 DCM 的電壓下降，電流需求便將由電容來滿足。電容容量可按需選定，以提供遠大於 DC 轉換器模組的電流。 一旦 PoL 或負載電流需求結束，DC 轉換器必須將電容重新充電至其初始電壓，以便為下一次電流需求做好準備（圖 3）。

敏捷性與可靠性是頂級 C-UAS 平台的基石

防範邊境威脅所面臨的挑戰始終在不斷演變。 然而，在應對威脅時，速度與可靠性的重要性始終不變。 配寘一個能够在最嚴苛條件下做出響應的供電網絡至關重要，且能够挽救生命。

採用功率平均配寘的電源可實現快速回應，减小電源系統的尺寸，減輕重量，並降低成本。 當然，尺寸與重量的减小，也提升了現場部署的機動性與靈活性，而這始終是一項額外優勢。在負載短時週期性開啟的應用中採用功率平均方法，是可靠的反無人機探測與響應系統的最優配寘。

若 DC 轉換器模組設計為可在其限流與最大功率範圍內安全運行，則可最大限度地减少輔助電路。 按平均功率確定電源系統規模，還有助於省去按持續峰值供電確定規模時所需的輔助電路與硬體。 這也有助於設計人員滿足系統的空間與重量限制要求。

在現場應用中，每一個細節都至關重要——速度、敏捷性、可靠性、尺寸與重量。 在設計 C-UAS 平台時，爭取每千克每瓦的優化，正是决定電源系統能否適配應用的分水嶺。

David Berry 擁有紐約州斯克內克塔迪市聯合學院的電氣工程理學學士學位。他曾擔任磁性元件設計師，專攻阻抗匹配變壓器，現就職於 Vicor 公司，擔任高級首席應用工程師。他已在航空航太與國防市場的組件電源設計領域深耕超過 29 年。

 Dave Berry，高級首席應用工程師