面向无人机嵌入式系统的先进电源、控制和连接解决方案

现代无人机已不再是简单的无线电遥控飞行器，而是集成了推进、电源转换、传感、实时控制、通信、成像、诊断和安全功能的紧凑型机电系统。在工业级无人机领域，核心工程目标是在最大限度减轻重量、降低热损耗和布线复杂度的同时，尽可能延长飞行时间和提升有效载荷能力。因此，配电和内部通信构成了系统架构的基础。推进、传感、通信及有效载荷电子设备均须依靠同一电池电源实现高效可靠的运行。

本文为安森美（onsemi）《面向无人机嵌入式系统的先进电源、控制和连接解决方案》白皮书上篇，将聚焦无人机的动力与感知中枢，深度剖析如何通过高能效功率开关、精密栅极驱动及稳健传感接口，夯实飞行控制与云台稳定的底层基石。

随着无人机在基础设施巡检、精准农业、建筑测绘、应急响应、环境监测、物流和安防等应用中展现出切实价值，无人机市场正在持续增长。针对不同的任务，需要采用不同的平台。多旋翼无人机更适用于悬停、垂直起降和空间受限的作业。固定翼无人机在远距离任务中具备更优的巡航效率和更广的区域覆盖能力。单旋翼平台虽支持更高的有效载荷，但增加了机械复杂度；混合垂直起降 (VTOL) 系统则兼具垂直起飞与固定翼续航优势。

尽管存在上述差异，大多数无人机平台的电子需求基本相似。推进系统需要大电流开关和精确的电机控制，而飞行控制器则依赖稳定的低压轨、低噪声时序、存储器、保护电路及传感器接口。相机、激光雷达、雷达、热传感器和通信模块等有效载荷需要纯净的电源和可靠的数据传输。电池保护和电流监测同样至关重要，可防止子系统故障波及整机。随着无人机向超视距 (BVLOS) 飞行、AI 辅助导航和多传感器自主化方向发展，高效电源转换和确定性通信的重要性日益凸显。

辅助器件的作用日益增强

在许多无人机中，推进级消耗了大部分可用能量，而周边电子设备决定了能量的利用效率。无人机不仅需要高效的 DC-DC 转换来为飞控和机载电子设备生成稳定电压轨，也需要紧凑的电机驱动电路在尽量降低额外热损耗的同时管理无刷直流 (BLDC) 功率级，还需要精确的位置反馈来稳定云台或执行器驱动机构等运动子系统。如果上述功能块实现效果不佳，后果不仅是效率降低， 还会导致控制质量下降、热应力增加、任务可靠性降低等问题。

因此，行业不再将无人机简单视为“电池 + 电子调速器 (ESC)”的组合。随着高端无人机平台拓展至商业和防务相关任务，对环境适应性、能效和控制精度的要求显著提高。无人机设计人员因此有充分理由选用功能不止于基础电气能力的辅助器件。有效的器件有助于简化电源架构、减少外部元件数量、改善热性能并增强整体系统弹性，且不会增加不必要的设计复杂度。

推荐用于无人机辅助系统的功能块

低压 MOSFET 与栅极驱动器用于推进系统和功率开关

低压 MOSFET是多个无人机子系统中的关键器件，涵盖电子调速器 (ESC)、电池开关与保护电路、DC-DC 转换器、负载开关及有效载荷配电单元。在推进系统中，此类器件用于驱动 BLDC 电机的三相半桥级，其导通损耗和开关损耗直接影响效率、发热量和飞行时间。在电源架构中，MOSFET 用于电池路径控制、反极性保护、热插拔功能，并向传感器、相机、激光雷达和通信模块提供稳压电源。

安森美低压MOSFET 产品组合（包括T10、T8、T6 和PTNG 系列）具备低RDS(on)、高电流承载能力和高效散热封装。低 RDS(on) 可最大限度减少大电流运行时的导通损耗，而低栅极电荷则可降低 PWM 电机控制和电源转换级中的开关损耗。这一特性在多旋翼无人机中尤为重要，因为多个 ESC 通道同时运行时，即便单个开关效率仅有微小提升，也能显著降低总发热量和电池功耗。Power 33、Power 56、Power 88、TCPAK 和 TOLL 等封装改善了电流处理能力和散热性能，对于 PCB 面积和散热能力受限的紧凑型无人机设计极具价值。

MOSFET 性能与栅极驱动器密切相关。NCV51511、NCP51513、NCP81075、FAN8811T 和 NCD83591 等器件为电机驱动器和电源转换器提供高侧和低侧栅极驱动控制。栅极快速充放电可减少转换损耗，而精确的死区时间控制有助于防止半桥电路直通。在紧凑型无人机电子设备中，此举提高了开关效率，简化了 PCB 设计，并增强了动态负载条件下的可靠性。

用于位置反馈、力反馈和压力反馈的传感器接口

精确传感在提升无人机系统飞行稳定性和有效载荷性能方面发挥着关键作用。在 BLDC 电机驱动中，精确的转子位置反馈可改善换向质量，尤其在低速运行、高扭矩工况及快速瞬态机动期间效果显著。NCS32100电感式位置传感器利用转子和定子 PCB 布局实现非接触式角度测量。与光学编码器相比，电感式传感在严苛的无人机运行环境中更具稳健性，因为灰尘、湿气、振动和污染物可能损害光学编码器的长期可靠性。

NCS32100 提供适用于电机换向和闭环速度控制的高分辨率位置反馈。在推进应用中，精确的转子角度测量有助于减小扭矩脉动、改善相位对齐并提高整体电机效率。凭借高角度精度和高速运行能力，NCS32100 非常适合无人机推进系统中常用的紧凑型电机和高转速旋转组件。

针对负载、力和压力测量，NCV7192 桥式信号调理接口支持从电阻式惠斯通电桥传感器（包括应变片和压阻式传感器）采集低电平差分信号。NCV7192 集成了低噪声可编程增益与偏移级、温漂与传感器非线性数字补偿、基于 EEPROM 的配置存储、内置诊断功能，并支持比例模拟输出或 SENT 数字输出。在无人机平台中，NCV7192 可连接相应的桥式传感器，实现有效载荷称重、着陆力测量、结构应变监测、推力相关力检测或压力测量等功能。通过将模拟前端调理、补偿和诊断功能集成于单一器件，NCV7192 减少了外部元件数量，提高了全温区测量一致性，并简化了传感器模块设计。

无人机云台控制与稳定

云台是一种精密机电子系统，可在偏航、俯仰和横滚方向上稳定相机，最大限度减少由振动、机身运动和快速姿态变化引起的图像模糊。在无人机应用中，有效的云台控制不仅取决于精确的位置反馈和平滑的电机换向，而且依赖于能以极小抖动和发热产生精细扭矩校正的高效功率级。

采用 NCS32100 绝对编码器、NCD83591 三相栅极驱动器和 NTMFS0D9N04XM MOSFET 可构建紧凑的三轴解决方案。NCS32100 为各轴提供精确角度位置反馈，无需启动归零即可实现快速准确的稳定控制。NCD83591 支持平滑的 BLDC 电机控制并集成电流检测，有助于维持稳定扭矩并减少可见的相机抖动。NTMFS0D9N04XM MOSFET 以低导通损耗和高效开关完善了逆变级，有助于降低紧凑型有效载荷模块的热应力。上述器件协同工作，可在严苛的无人机环境下实现精确的相机定位、平滑的三轴稳定，并保障云台的可靠运行。

优秀的动力与电机控制是无人机飞得稳、控得准的前提，但当机载传感器与外设呈几何级增长时，机身内部的“神经网络”与配电架构又该如何应对？

在下篇，将继续探讨统一的单对以太网 (10BASE-T1S) 与低功耗蓝牙通信架构、宽输入 LED 驱动设计，以及安森美如何从系统级解决电源转换与 SWaP 挑战，敬请关注！