某型无人机电源滤波系统的设计

王 亮，张一鸣，王小丽，高俊侠

（北京工业大学电子信息与控制工程学院，北京100124）

0 引 言

无人机航空磁测已经成为航空探测领域的最新技术之一。电源系统是无人机的重要组成部分，它担负着为无人机其他系统提供有效载荷的重要任务，其供电质量的优劣直接影响着无人机的飞行状态［1］。无人机工作环境复杂，对供电电源的输出电压纹波和噪声要求很高。在电源系统设计中，滤波网络的设计决定了电源系统的噪声、纹波的大小以及电源的整体性能，因此设计一个优良的滤波网络对电源系统是至关重要的。

本文介绍了以两级LC滤波为核心的某型无人机电源系统输出滤波器的设计。对LC滤波器的结构及其参数进行了详细的分析，所设计的正激开关电源结构简单、纹波小、噪声低，输出电压稳定。仿真和实验结果证明了设计的合理性，此无人机电源已经在无人机野外飞行实验中得到了实际应用，取得了良好的效果。

1 正激变换器滤波电路的设计

1.1 应用电路的原理分析

图1为正激开关电源滤波网络的应用电路。滤波网络采用两级LC滤波的方式。其中第一级LC滤波网络的主要功能是进行能量存储，以保证开关电源在整个周期内维持近似稳定的直流电压的输出［2］；该滤波器的另一个功能就是把高频谐波和共模输出的干扰减少到一个可以接受的范围内，该功能不太明显。两个功能的实现是不能兼容的，突出其中一个功能必然降低另一个功能的作用。为了保持稳定的直流输出，输出电感的值较大，较大的电感往往会带来较大的匝间电容，这导致了相对低的自谐振频率，这种电感在其自谐振频率下有低阻抗，故不能有效地衰减电流的高频分量。只用一级LC滤波器很难达到满意的平滑电压和去噪声的要求，再加一级LC滤波构成两级LC滤波器，这样滤波器的性价比会更好，体积和质量也更小，既降低了成本，又改善了性能［3］。第二级滤波器须谨慎设计，设计不合理会导致系统的输出不稳定。

1.2 两级LC滤波器的分析

主输出电感L1的选择应使在最小直流输出电流下的电感电流仍保持连续，L1的值应远大于L2。输出电容的选择应尽量满足输出纹波电压［4］。无人机电源最小输出电流为Idc为额定电流的1／10，正激电源不连续状态在最小电流Idc等于输出电流斜坡幅值d I的一半开始。故

式中，Ug为整流后滤波前输出端的电压值。因主拓扑结构为正激电源，为了防止变压器磁饱和，设Ton＝0.8 T／2，又

故

L2的选择一般要远小于L1，这里取L2为0.5μH。

如图1所示，L1和C1为第一级滤波器，L2和C2构成第二级滤波器。为了便于分析，假定C1、C2的串联等效电阻为Rc1＝Rc2＝0，输出电阻Ro＝∞。输出滤波系统的状态方程为：

从式（4）可以得到一级谐振频率为：

第二级谐振频率为：

这里

第一个谐振点由一级电感L1和输出电容C1、C2之和决定。第二个谐振点由第二级电感L2和输出电容C1、C2并联的值决定。从式（5）、式（6）得出无论两个电容的位置如何安排，电容值较小的电容决定第二个谐振点，较大的电容决定第一个谐振点。

如果输出电容器C2为更小，第二谐振对任何电容性负载都非常敏感，实际上，容性负载可以使系统不稳定。如果第一级LC电容C1更小，容性负载对系统输出的稳定几乎没有影响［5］。为保证输出电压的稳定，选取C1远小于C2。为了满足纹波和噪声的要求这里取串联等效电阻较低的钽电容为输出滤波电容，C1＝660μF、ESR1＝0.0025Ω；C2＝2 200μF、ESR2＝0.001Ω。

图2给出了只用一级LC网络与采用两级LC滤波网络的幅频特性曲线（只用一级LC的情况下输出电感L0＝L1、C0＝C1＋C2），从图2可以看出两级LC滤波网络的第一个谐振点和一级LC滤波网络的谐振点很接近，两级LC滤波网络的第二个谐振点大约在16 k Hz处，附加的衰减大约为30 dB。对系统输出的稳定性没有显著的影响。

图2 LC网络的幅频特性曲线

2 系统仿真及实物验证

2.1 仿真结果与分析

利用Saber仿真软件分别对一级LC和两级LC作为输出滤波器的情况下进行了仿真实验。实验结果如图3所示，只用一级LC滤波器的电源输出纹波电压大约为0.08 V，两级LC滤波网络的输出纹波电压只有3.5 mV。

图3 LC滤波网络输出纹波电压仿真曲线

从仿真结果看出两级LC滤波网络的输出电压纹波远小于一级LC滤波网络的纹波。所设计的滤波器符合预定的性能指标。

2.2 实物验证结果

无人机电源实验平台如图4所示。图5为一级LC滤波器输出电压的纹波波形，纹波电压大约为0.1 V，图6为两级LC滤波器输出电压的纹波波形，纹波电压只有15 mV左右，远小于一级LC滤波器的输出电压纹波。由以上分析可知，所设计的两级LC滤波器纹波小、输出电压稳定。

3 结 论

本文针对某型航空无人机对供电电源的输出电压纹波的特定要求，通过理论计算、仿真实验、无人机电源实物平台实验，设计了以两级LC滤波网络为核心的滤波系统。所设计的两级LC滤波器具有结构简单、纹波小、噪声低，输出电压稳定等优点，显著地提高了无人机飞行的安全性和稳定性。在无人机野外实际飞行实验中，该电源系统性能稳定，效果良好。

图6 两级LC滤波器输出纹波电压波形

［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］ 杨 旭，裴云庆，王兆安.开关电源技术［M］.北京：机械工业出版社，2004.

［3］ KEITH B著，张占松，汪仁煌，谢丽萍，译.开关电源手册（第2版）［M］.北京：人民邮电出版社，2006.

［4］ PRESSMAN A I，BILLINGS K，MOREY T著.王志强，肖文勋，虞龙，等译.开关电源设计（第3版）［M］.北京：电子工业出版社，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.