一款大电流线性BEC的设计与制作作者：来源：《航空模型》2011年第06期 一、线性BEC（Battery Eliminator Circuitry，电池调压电路）简介 随着科学技术日新月异的发展，锂系电池（Li－Po电池、Li－Fe电池等，下文简称锂电池）逐渐广泛应用于遥控模型的各个方面——不仅作为电动遥控模型的动力电池使用，而且在传统的内燃机动力遥控模型中，也越来越多地被用于接收电池、点火电池等。因为锂电池有内阻小、无记忆效应等优点，非常适合与大电流设备搭配使用，所以在高速、大扭矩数码舵机渐成主流的今天，它尤其适合作为接收电池使用。
不过，常用的2S锂电池组（下文简称锂电池组）的额定电压较高——Li-Po电池组标称电压7.4V，Li－Fe电池组标称电压6.6V，而现在主流的接收机、舵机、陀螺仪等设备一般在4.8V～6V的电压范围工作，因此不能用锂电池组直接供电。虽然现在陆续有一些适合用锂电池组直接供电的高压接收机、高压舵机面市，但是种类相对较少。为解决此问题，目前一般使用专用的BEC（线性BEC或开关BEC，在高端模型中以前者为主流），将锂电池组电压降低并稳定至 4.8～6V的范围，供给用电设备。
1．一些常见的线性BEC
图1是笔者在组装一架50cc级别花式模型飞机时使用的国产线性BEC。该BEC采用夏普公司的五端低压降线性稳压集成电路（LDO）作为核心部分。该器件的典型最大电流为10A，BEC标称电流为8A。LDO有单独的开关引脚，可以实现软开关功能（关于软开关的定义与实现，下文有详述）。在数十起落的飞行中，该BEC表现得比较稳定可靠，但由于LDO特性的限制，在关断状态下的静态电流较大，接近mA数量级。
图2是质量和性能普遍得到认可的Jeti MAX BEC 2 线性BEC。这款BEC的特点是：使用集成电路与分立大功率场效应管混合，输出电流不受集成电路的限制，能实现大电流输出——连续输出大于10A，瞬间输出大于20A；使用双肖特基二极管耦合，可以外接两组锂电池组，实现均衡放电；具有软开关功能，且在关断状态下的消耗电流较小，约为200uA。 有些航模电子设备（如电源分配器）会整合线性BEC的功能，例如Power box Champion RRS电源分配器（图3、图4）。该装置的线性BEC部分有两个显著特点：1.支持
两组锂电池组，且对应于每一组锂电池组均有一路专用的线性BEC电路与之对应，提高了系统的稳定性，即使在某一组电池组或某一路BEC失效时，仍能提供电源输出，而失效部分自动被隔离；2.使用单片机控制的软开关采用双按键操作形式，即只有在两个特定按键同时被按下一定时间后，对应电源才接通或者关断，能最大程度地减小误操作的可能性。
2．线性BEC的典型特征
通过对常见线性BEC的分析总结，可以推论出线性BEC的典型特征如下。
（1）调整管工作在线性状态输出电压比输入电压低；反应速度快，输出纹波较小；工作产生的噪声低；效率较低。与线性BEC对应的是开关BEC。开关BEC利用开关电源原理，具有效率高、重量轻，既可升压亦可降压，输出功率大等优点，但是由于电路工作在开关状态，所以噪声较大。相对于开关BEC，线性BEC不会产生高频开关噪声，因此不会对航模电子设备、特别是接收机产生干扰。线性BEC虽然效率较低，但航模电子设备耗电并不大，这个缺点还是可以接受的。因此，目前比较高端的BEC几乎均为线性BEC。
（2）支持大电流输出。考虑到现在数码舵机、陀螺仪等设备的需要，线性BEC应能提
供5A以上的电流输出。对于大型模型飞机，例如50cc级别汽油动力模型飞机（这个级别通常无须使用电源分配器），线性BEC则应能提供10A以上的电流输出。
（3）支持软开关功能。软开关是以小型开关控制BEC电路使能端，开关内部仅通过控制电流，而不通过BEC电路的输出电流。软开关的实现形式有多种，最常见的是机械开关。为提高电路的可靠性，往往将机械开关以相反的逻辑接入电路，即机械开关导通时BEC切断，机械开关断开时BEC接通。前文提到的Power box电源分配器系统通过单片机控制的电子开关实现软开关功能。除此之外，还有使用霍尔器件——永久磁铁进行配合的无电气连接的软开关（图5）。
（4）线性BEC很少采用LDO（Low Dropout Regulator，低压差线性稳压器）作为核心器件的形式，而多采用集成电路与分立大功率器件（三极管或场效应管）混合的形式。这样做有很多好处：首先，可以避免受到集成电路性能的限制，在提高最大输出电流和降低关断状态下的消耗电流等方面有较大的空间；其次，可以根据需要对电路进行灵活设计；最重要的是，根据通用需求设计，集成了过压、过温等各种保护电路的LDO，在参数超标时往往是通过限制甚至切断输出来保护电路。这种保护方法在其他用途中比较合适，但对于航模却有
可能导致短时断电，无疑是发生事故的隐患。航模电路的设计要点为：选用优质器件，并在参数上留有充分冗余，以提高电路的稳定性；尽可能少用或不用额外的保护电路。
二、原理与设计
笔者在从事科学研究和学习工作之余，一直对航模抱有浓厚兴趣。近日一时兴起，通过对现有线性BEC的分析与认识，结合自己的需求，设计制作了一个大电流线性BEC（图6，下文简称BEC或线性BEC）。设计目的是验证该类结构线性BEC的基本性能，并为进一步优化改进积累素材。
1．指标与要求
设计这个BEC的基本考虑点为：输入电压、输出电压、输出电流、开关形式。
输入电压主要根据锂电池组放电中后期电压较低时BEC的工作情况决定。这时Li－Po电池电压在7.4V左右，Li-Fe电池电压在6.4V左右。笔者设计的这款BEC是用于汽油机的电源供应，因为常用Hitec数字舵机，所以它的输出电压固定为6V（理论值为6.144V，可通过切换/改变采样电阻调整）。该BEC的额定输出电流为10A，瞬间最大电流大于15A，使用机械
开关作为软开关开启或切断BEC电源输出。这款BEC的主要设计指标参见表1。
2．电路原理
图7是该款BEC的电路原理图，根据此图简单分析其稳压原理与开关原理。在正常工作时，若因某种原因（比如电源电压降低、负载电流增大等）导致输出电压降低，采样电阻公共端的电压会随之降低，运算放大器U1的正向输入端电压高于反相输入端（为便于理解，这里不引入虚短、虚断等相对深入的运算分析理论，仅从最基本的层面分析）。因此运算放大器输出端电压升高，三极管Q1基极电流增大。这是因为三极管Q1与电源调整管（型号为MJ14003）组成一个异极性的复合结构，当电源调整管的基极电流增大时，促使其集电极电流随之变大，从而推动输出电压回升。如因某种原因造成输出电压升高，则电路按照相反流程工作，使输出电压降低并稳定到设计值附近。电源调整管使用PNP型大功率三极管，相对于NPN型三极管，可以实现集电极输出，避免发射极输出时PN结正向压降带来的不利影响。
机械开关以相反的逻辑完成BEC输出的控制。具体过程如下：在开关断开时，BEC电路正常工作，提供给下一级用电设备以正常的电压输出；在开关闭合时，运算放大器U1正向输
入端直接接地，相对电势为0V，而因为电源调整管漏电流等因素的影响，反相输入端的电势总是略高于正向输入端约0.3～1mV，故运算放大器输出端电压接近零，三极管Q1和电源调整管断路，BEC电源输出被切断，下一级电路停止工作。在电路切断时，仅电源基准和运算放大器在工作。通过选择合适的器件，可以使BEC在关断状态下的耗电处于较低水平（0.1～0.5mA）。
图8是上述电路开关功能的仿真图。由图可见，在500mS之前，开关闭合，BEC电路处于关闭状态，输出端电压近似为零；在500mS之后，开关断开，BEC电路开始工作，输出电压约为6.1V。
3．PCB设计
笔者使用Protel 99SE软件绘制PCB（Printed Circuit Board，印制电路板）的设计图，采用常用的PCB四联拼板（图9）。为减少地线阻抗，同时在表层、底层对应位置平行走线，且以过孔连接。因为是进行原型而不是正式产品设计，所以依据现有的器件库存，交替使用了直插式和贴片式元器件（在正式的商品化研发和生产中，需要对工艺进行严格控制）。
根据设计图加工的PCB实物如图10、图11所示。考虑到航模环境的复杂性，适当提高了对PCB加工工艺的要求：采用2mm厚度FR-4材质双面环氧板；所有焊盘及金属化过孔均采用沉金处理；PCB双面铜箔加厚到70μm，且关键大电流走线取消阻焊膜覆盖，露出金属部分（这在PCB底层设计中尤为明显），通过后期手工镀锡的方法进一步降低PCB走线电阻。
4．元器件选择
保证电路性能的一个关键因素是核心器件——电压基准、运算放大器和电源调整管的选择。
对于电压基准来说，需要考虑的核心指标有两个：温度稳定性与最小工作电流。较高的温度稳定性可以保证BEC在各种情况下输出电压基本稳定。因为在BEC关断状态电压基准仍然在工作，所以较低的最小工作电流直接关系到BEC关断状态下的功耗。除此之外，电压基准的电压选择还应充分考虑到使采样电阻数值符合标准阻值。笔者使用TI公司的LM4040A20电压基准，额定电压为2.048V，配合2.2k/1.1k采样电阻，BEC理论输出电压为6.144V，在实际应用中效果较好。
运算放大器同样需要考虑两个因素：因为和电压基准类似，在BEC关断状态运算放大器仍然处于工作状态，所以也需要优选静态工作电流小的型号；另外，在软开关闭合、BEC关闭时，运算放大器处于相对极端的工作状态，要求输出端电压接近地电位，一般为0.2V以下，最差也不可高于0.5～0.6V（Q1的导通电压），这就要求运算放大器在低工作电压下仍然具有轨对轨（Rail-to-Rail）的输出特性。这类运算放大器有多种型号可以满足需要，笔者使用的是TI公司OPA244UA型号CMOS运算放大器。
电源调整管应选用额定电流大、漏电流小的型号。笔者选用了Onsemi公司的PNP大功率三极管MJ14003（图12），最大集电极电流达到60A。在集电极电流为10A时，实测发射极-集电极的压降低于0.4V，且此时典型放大倍率仍在150以上，对驱动管的电流要求较低。也可使用P沟道大电流MOS管，但应更加重视防止干扰和ESD方面。
5．散热器设计
依据PCB外形和电源调整管尺寸，笔者设计并加工了铝制散热器（图13）。因为是样品，所以未进行很多处理和美化。在更深入的应用中，可以在散热器叶片上铣槽以增加散热面积，提高散热效率，或者直接选用适合尺寸的商品化散热器，依据散热器的形状修正PCB
的外轮廓。
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