本发明涉及无人机电源领域，尤其涉及一种用于中小型无人机开发板的电源管理电路及电源管理板。
背景技术：
随着时代技术面向智能化，很多领域都向无人操作而又高度集成方向发展，无人机领域也一样，为了完成各种自主研发需要而加入很多开发板，目前而言，无一能够解决电源管理与配给的问题，当前背景下无人机领域并无一统一管理的集成电源管理板，使得无人机开发供电问题成为难点，线路难以统一、电源电压不稳定、线路走线对系统干扰大问题尤为突出。这给研究带来很多麻烦，通常都是找到与飞控或主板相对适配的电池以焊盘焊接的方式处理，既无稳压保障又增加电池供应负担。
另一方面，相对松散的电池供给会增加机架电源走线，使得研发的无人机成品外形设计较困难，因为大多数用于无人机的部件都是大电流3A-5A，焊点与走线需要耐压相对高，焊接点尤其接地需要很大面积，每一到两个部件都需要一个焊接点，使硬件组合困难。
无人机是空中飞行器械，很大部分稳定位置需要靠GPS或者北斗卫星信号，同时是大电流电源走线产生的电磁波无不影响着GPS信号或者北斗卫星定位信号的接收与处理，同时，自主避障飞行并传输图像需要高精确的相机而不受电流波动影响，飞行过程中过热、过压、大量磁信号影响都可能不同程度的影响每个元件的信号传输，这使得稳定的电源电压变得尤为重要。自主飞行无人机因实际目的其开发板数量也增加，而无人机的平衡需要侧重考虑包括走线与外观封装在内的各种因素以提高飞行稳定性，集成电源管理板可以取消大部分电池到各开发板的连接，简化线路，减小电池输出负担。
电池输入再无经处理而分为多路，一方面，如果一路输出产生波动或者短路等情况时，使电池本身受损甚至损坏的可能性极大，另一方面，无经处理的分流使一路短路时其他输出均变为无法正常工作，这使在高空远距离作业的无人机而言是极其危险而且不可控的。就自主避障飞行的无人机而言，在地下电缆隧道作业伴有潮湿、电磁影响、高温等已知环境影响而无可控的情况，无人机供电问题重要性与稳定性不言而喻。此外，需要达到飞行目的且能够多次稳定使用也是很重要的，精确完成检测任务在要求电池性能的同时，电源管理电路中所使用的芯片和元器件耐环境特性完全能够达到要求，而现市场上没有完整设计的电路用于无人机上完善该需求。
此外，大多数电压管理或者变压等电路都会设计一个极小的显示元件以直观的显示电压变动或者余量等情况，虽然这种设计可以给使用人员带来很大的方便，但是如果是用于无人机系统，这种设计就显得没那么必要了，因为无人机无论是在高空还是地道下面都是使用人员难以第一时间到达的地点。另一方面，作为飞控检测端，多有遥控器或者地面站检测电池电压使用情况，在飞控也设置有低电压保护动作——悬停或者返航。
技术实现要素：
针对现有技术之不足，本发明提供了一种用于中小型无人机开发板的电源管理电路，其包括拨动开关、滤波电路、变压模块、稳压电路和电阻分压电路，所述拨动开关设置于电源输入端与滤波电路之间，所述滤波电路的正端连接拨动开关的输出端，其负端接地，所述稳压电路设置于所述变压模块与所述电阻分压电路之间，
所述变压模块为电源变换器芯片，其具有一至第五引脚，其中，第一引脚接地，第四引脚连接第一电容，第五引脚连接输入电压端，第三引脚为向输出提供电源的开关节点，所述第三引脚连接所述稳压电路并提供功率输出，第二引脚连接所述电阻分压电路从而检测输出电压并进行调节。
根据一个优选实施方式，所述滤波电路包括第二电容和第一电解电容，所述第二电容和第一电解电容并联在拨动开关的输出端和电路接地端之间。
根据一个优选实施方式，所述稳压电路包括续流二极管、电感、第三电容和第二电解电容，其中，所述续流二极管的正端接地，其负端连接所述电源变换器芯片的第三引脚以及所述电感的一端，所述第三电容和第二电解电容并联在所述电感的另一端和接地端之间。
根据一个优选实施方式，所述电阻分压电路包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻的一端连接电路输出端，第一电阻的另一端连接所述电源变换器芯片的第二引脚和所述第二电阻的一端，所述第二电阻的另一端接地。
根据一个优选实施方式，所述电源变换器芯片内部集成有过流保护、过温保护和短路保护模块；
所述电源变换器芯片为集成芯片XL4015E1，其固定开关频率为180KHz，其输出电压支持1.25V～32V调节。
根据一个优选实施方式，在连续模式中，在连续模式中，输入电容器的最大RMS(均方根值)电流为：
其中，最大平均输出电流IMAX等于峰值电流与1/2峰值纹波电流之差，前述输入电容器是指第一电容。
根据一个优选实施方式，输出电压纹波由下式决定：
式中的△IL表示电感器中的纹波电流，ESR为等效串联电阻，F表示开关频率，COUT 表示输出电容。
根据一个优选实施方式，所述电感值为：
式中的△IL表示电感器中的纹波电流，F表示开关频率，COUT表示输出电容。
根据一个优选实施方式，所述续流二极管为肖特基二极管，其工作时平均正向电流为：
本发明还提供了一种用于中小型无人机开发的电源管理板，其采用分路式设计，并且所述电源管理板具有前文所述的电源管理电路。
本发明具有以下有益效果：
本发明将电池设计为一个输入经由管理电路再输出为多路，改变了电池直接分流为多路，各输出都独立而且不影响电池，提高了系统解耦性。设计的外围电路集成度高，外围器件少，使得调试和使用更加便利。根据无人机使用场景不同而需要的摄像头类型不同，设置了一路可调节电压输出，达到宽范围电压输入，可调节电压输出目的；同时可解决因不平滑或不独立供电线路设定而影响摄像头图像传输使飞行器定位与飞行受到影响的问题。集中解决了无人机各开发板电源分配、稳压输出问题。集中解决了大多数自主飞行无人机安全保护问题，使输出电压更加稳定。从系统上提升了模块化程度，使用更加便捷。在无人机设计完成后相对集成的电源管理模块使供电方面的可替换性、易检测性得到质的提升。
附图说明
图1是本发明的电路图；
图2是本发明的工作过程示意图。
附图标记列表
SW1：拨动开关 Cin1：第一电解电容 C11：第一电容
C12：第二电容 GND：第一引脚 FB：第二引脚 SW：第三引脚
VC：第四引脚 VIN：第五引脚 D31：续流二极管 L1：电感
C14：第三电容 Cout1：第二电解电容
R11：第一电阻 R12：第二电阻
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
如图1所示，本发明的用于中小型无人机开发板的电源管理电路，其包括拨动开关SW1、滤波电路、变压模块、稳压电路和电阻分压电路，拨动开关SW1设置于电源输入端与滤波电路之间，滤波电路的正端连接拨动开关SW1的输出端，其负端接地，稳压电路设置于变压模块与电阻分压电路之间。
变压模块为电源变换器芯片，其具有一至第五引脚，其中，第一引脚GND接地，第四引脚VC连接第一电容C11，第五引脚VIN连接输入电压端，第三引脚SW为向输出提供电源的开关节点，第三引脚SW连接稳压电路并提供功率输出，第二引脚FB连接电阻分压电路从而检测输出电压并进行调节。
滤波电路包括第二电容C12和第一电解电容Cin1，第二电容C12和第一电解电容Cin1 并联在拨动开关SW1的输出端和电路接地端之间。
稳压电路包括续流二极管D31、电感L1、第三电容C14和第二电解电容Cout1，其中，续流二极管D31的正端接地，其负端连接电源变换器芯片的第三引脚SW以及电感L1的一端，第三电容C14和第二电解电容Cout1并联在电感L1的另一端和接地端之间。管理电路输入输出都增加滤波电容使输入、输出的直流源电流更加平滑，在典型电路中加入大电流开关控制电池输入以保持管理电路中并联的电容有不工作时间，延长其使用寿命。
电阻分压电路包括第一电阻R11和第二电阻R12，第一电阻R11的一端连接电路输出端，第一电阻R11的另一端连接电源变换器芯片的第二引脚FB和第二电阻R12的一端，第二电阻R12的另一端接地。
电源管理电路可大致分为输入处理、电压变换、输出处理三部分组成。其中，电压变换是最主要的部分，它包括宽范围电压处理、电压电压单位化、输出端电阻分压控制输出。
具体地，电路主要由集成芯片XL4015E1及相关外部电路所构成，其中XL4015E1是一个开关降压型DC-DC转换芯片；固定开关频率180KHz，可减小外部元器件尺寸。芯片具有出色的线性调整率与负载调整率，用于DC8V～36V输入，输出电压支持1.25V～32V间任意调节，输出最大电流5A的降压恒压应用，最高转换效率可以达到93％。芯片内部集成过流保护、过温保护、短路保护等可靠性模块。采用TO263-5L封装的XL4015E1有五个引脚，①： GND该引脚应放置的肖特基二极管在输出电容接地路径防止开关电流尖峰电压噪声诱导 xl4015；②：FB通过一个外部电阻分压网络，FB检测输出电压并调节它，阈值电压为1.25V 反馈；③：SW是向输出提供电源的开关节点；④：VC内部电压调节器旁路容量。在典型的系统应用，VC引脚连接一个1uF的能力VIN；⑤：VIN电源电压输入引脚。XL4015E1在 8V至36V直流电压。旁路VIN到GND与一个适当的大电容，以消除噪音的投入。
在连续模式中，转换器的输入电流是一组占空比约为VOUT/VIN的方波。为了防止大的瞬态电压，必须采用针对最大RMS电流要求而选择低ESR(等效串联电阻)输入电容器。对于大多数的应用，1个10uF的输入电容器就足够了,它的放置位置尽可能靠近XL4015的位置上。输入电容器的最大RMS(均方根值)电流由下式给出：
其中，最大平均输出电流IMAX等于峰值电流与1/2峰值纹波电流之差，即 IMAX＝ILIM-△IL/2，其中ILIM为峰值电流，△IL为峰值纹波电流。在未使用陶瓷电容器时，优选地，在输入电容上增加一个0.1uF至1uF的陶瓷电容器以进行高频去耦。
在输出端应选择低ESR电容以减小输出纹波电压，一般来说，一旦电容ESR得到满足，电容就足以满足需求。任何电容器的ESR连同其自身容量将为系统产生一个零点，ESR值越大，零点位于的频率段越低，而陶瓷电容的零点处于一个较高的频率上，是一种上佳的选择，但与电解电容相比，大容量、高耐压陶瓷电容会体积较大，成本较高，因此使用0.1uF至1uF 的陶瓷电容与低ESR电解电容结合使用是不错的选择。输出电压纹波由下式决定：
式中的F表示开关频率，COUT表示输出电容，△IL表示电感器中的纹波电流。
虽然电感器并不影响工作频率，但电感值却对纹波电流有着直接的影响，电感纹波电流△IL随着电感值的增加而减小，并随着VIN和VOUT的升高而增加。用于设定纹波电流的一个合理起始点为△IL＝0.3*ILIM，其中ILIM为峰值开关电流限值。为了保证纹波电流处于一个规定的最大值以下，应按下式来选择电感值：
续流二极管D31优选地使用肖特基二极管，比如B540C。它的额定值为平均正向电流5A 和反向电压40V。4A电流下典型正向电压为0.55V。该二极管仅在开关关断期间有电流流过。峰值反向电压等于稳压器的输入电压。在正常工作时平均正向电流可计算如下：
本发明针对未知工作环境，自主避障飞行无人机电源的环境因素，采用XL4015E1芯片，芯片内部集成过流保护、过温保护、短路保护等可靠性模块。设计的外围电路集成度高，外围器件少，使得调试和使用更加便利。相对于其他变压模块例如LM2596、MP1584en等，使用XL4015具有更大的电流输出，那么同样的电压下该模块的电功率都大于其他电流变压模块。根据无人机使用场景不同而需要的摄像头类型不同，设置一路可调节电压输出，达到宽范围电压输入，可调节电压输出目的；同时可解决因不平滑或不独立供电线路设定而影响摄像头图像传输使飞行器定位与飞行受到影响的问题。
如图2所示，本发明的工作过程大致如下：从总体上来说分为5大部分进行处理，分别是输入预处理、滤波处理、基于XL4015DC-DC变压、输出稳压和开发板输出处理。
输入为8V-36V电压电路首先进行滤波处理，加入耦合电容、电路最重要部分XL4015是一个180kHz的固定频率PWM降压(降压)直流/直流转换器，可高效驱动5A负载，具有低纹波和出色的线路和负载调节。需要最少数量的外部元件，调节器使用简单，包括内部频率补偿和固定频率振荡器。
PWM控制电路能够调节占空比线性从0到100％。一个在内置电流保护功能。当短保护功能发生时，操作频率将从180khz到48kHz。内部补偿块是内置的，以尽量减少外部元件数量。
输出通过反馈引脚FB再通过外部电阻分压器网络，FB感测输出电压并调节它。输出电压的值为：
VOUT＝1.25*(1+R2/R1)
本发明还公开了一种用于中小型无人机开发的电源管理板，其采用分路式设计，并且该电源管理板具有前文所述的电源管理电路。将电池设计为一个输入经由管理电路再输出为多路，改变了电池直接分流为多路，各输出都独立而且不影响电池，提高了系统解耦性。未采用惯用的带显示的设计，不仅可以减少能源损耗而且极大的减小了集成电路板的面积，更加适合无人机的应用特点，还使无人机外观设计和包装更加便利。此外，集中解决了无人机各开发板电源分配、稳压输出问题。集中解决了大多数自主飞行无人机安全保护问题，使输出电压更加稳定。从系统上提升模块化程度，给使用与解决问题带来便捷性。在无人机设计完成后相对集成的电源管理模块使供电方面的可替换性、易检测性得到质的提升。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不同限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。