無人機(jī)設(shè)計(jì)的常見電路保護(hù)組件

無論某種無人機(jī)如何使用或成本如何，所有無人機(jī)都容易受到許多相同故障和故障條件的影響。本文展示了一種通用的無人機(jī)設(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)了無人機(jī)制造商在為其產(chǎn)品的各種電氣子系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路保護(hù)時(shí)必須考慮的一些領(lǐng)域，以及為每個(gè)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)一些最常見的電路保護(hù)組件。

近年來，市場上的無人機(jī)數(shù)量迅速增長。美國聯(lián)邦航空管理局預(yù)測，無論是愛好者還是專業(yè)/商用無人機(jī)用戶，其感興趣的產(chǎn)品將繼續(xù)強(qiáng)勁增長。這些無人機(jī)的售價(jià)范圍很廣，從相對(duì)便宜的消費(fèi)機(jī)型到用于航空成像和數(shù)據(jù)收集這些功能強(qiáng)大的機(jī)型，包括房地產(chǎn)攝影、工業(yè)和公用事業(yè)檢查以及農(nóng)業(yè)應(yīng)用，如農(nóng)作物檢查。美國各州政府和地方政府也在利用無人機(jī)為緊急服務(wù)收集信息，包括搜救行動(dòng)。

無論某種無人機(jī)如何使用或成本如何，所有無人機(jī)都容易受到許多相同故障和故障條件的影響。這些情況可能會(huì)導(dǎo)致各種各樣的問題，從僅僅是煩人的（無法啟動(dòng)或起飛的無人機(jī)）到災(zāi)難性的（導(dǎo)致重大財(cái)產(chǎn)損失或人身傷害的墜機(jī)事故）。電池在充電過程中著火或飛行途中由于一些電氣問題而發(fā)生故障，這些都是常見的例子，這就突出說明了為什么強(qiáng)大的電氣保護(hù)是必不可少的。幸運(yùn)的是，越來越多的工具和技術(shù)可用于實(shí)現(xiàn)被動(dòng)電池安全系統(tǒng)，靜電放電（ESD）保護(hù)和失速電機(jī)保護(hù)。

圖1展示了一個(gè)通用的無人機(jī)設(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)了無人機(jī)制造商在為其產(chǎn)品的各種電氣子系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路保護(hù)時(shí)必須考慮的一些領(lǐng)域，以及為每個(gè)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)一些最常見的電路保護(hù)組件。

圖1:需要電路保護(hù)的無人機(jī)子系統(tǒng)。

保護(hù)電池和充電電路

顯然，無人機(jī)需要機(jī)載電池來為其運(yùn)作提供動(dòng)力。鋰聚合物（Lipo）電池是無人機(jī)最常用的電池類型之一，因?yàn)樗鼈兙哂懈吣芰棵芏龋ㄅc尺寸和重量相關(guān)）的優(yōu)勢，每個(gè)電池具有更高的電壓，因此它們可以用比其它可充電電池更少數(shù)量的電池為無人機(jī)的機(jī)載系統(tǒng)供電。它們的放電速度也比其它類型的慢，因此它們在不使用時(shí)能保持更長的充電時(shí)間。但是，如果充電或使用不當(dāng)，它們無法提供長時(shí)間的最佳性能，甚至可能開始冒煙和起火。

過放電和過充電是外部產(chǎn)生的兩種事件，它們會(huì)導(dǎo)致鋰離子電池出現(xiàn)問題。在過放電過程中，如果電池電壓下降到大約1.5V以下，陽極會(huì)產(chǎn)生氣體。當(dāng)電壓降到1V以下時(shí)，來自集電器中的銅溶解，導(dǎo)致電池內(nèi)部短路。因此，需要由電池保護(hù)IC提供欠壓保護(hù)。當(dāng)電池電壓達(dá)到約4.6V時(shí)，過度充電會(huì)在陰極產(chǎn)生氣體和熱量積聚。盡管圓柱形電池具有內(nèi)部壓力保護(hù)、激活的CIDs（電流中斷裝置）和內(nèi)部PTC（正溫度系數(shù)盤，加熱時(shí)電阻增加），但LiPo電池沒有內(nèi)部CIDs和PTC。 外部過壓，過氣和過溫保護(hù)對(duì)鋰聚合物電池尤其重要。

有多種電路保護(hù)選項(xiàng)可用于幫助保護(hù)無人機(jī)電池免受過電流和過熱條件的影響，包括帶有熱激活的金屬混合PPTC（MHP-TA）器件，PolySwitch PPTC器件，低電阻SMD PPTC器件和表面安裝保險(xiǎn)絲。 MHP-TA器件結(jié)合了低熱阻效應(yīng)，高保持電流額定值和緊湊尺寸的優(yōu)點(diǎn)，這對(duì)于保護(hù)LiPo電池非常有用。 最新的MHP-TA器件提供9VDC額定值和比典型電池?zé)?a target="_blank">熔斷器（TCO）更高的額定電流。 它們能夠處理高容量LiPo電池中常見的電壓和電池充電速率。 在超薄電池組的設(shè)計(jì)中，許多產(chǎn)品提供可復(fù)位且精確的過熱保護(hù)，其緊湊的外形和薄尺寸簡化了電路保護(hù)。

對(duì)于其它電池化學(xué)品，如鋰離子（Li-Ion），鎳金屬氫化物（NiMH）或鎳鎘（NiCd），PolySwitch PPTC可復(fù)位器件可提供更好的解決方案。它們不僅與大容量電子組件兼容，而且其UL，CSA和TüV代理機(jī)構(gòu)的認(rèn)可使設(shè)計(jì)人員更容易滿足法規(guī)要求。 它們的低電阻有助于延長電池工作時(shí)間，并可增強(qiáng)過熱保護(hù)。

小尺寸，低高度的POLYFUSE LoRho表面貼裝自恢復(fù)PPTC非常適用于鋰離子和LiPo電池組的保護(hù)電路模塊，以超低內(nèi)阻，低電壓降和功耗提供快速過流和過熱保護(hù)。 通過自動(dòng)復(fù)位，它們?yōu)橐淮涡员ｋU(xiǎn)絲提供低維護(hù)替代，以實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。 因?yàn)樗鼈兪菫榱吮砻姘惭b印刷電路板上而進(jìn)行封裝的，所以它們可以安裝在電路板上的電子保護(hù)模塊中，從而簡化了裝配過程。

雖然保險(xiǎn)絲和PTC都是過電流保護(hù)器件，但PTC可以自動(dòng)復(fù)位；傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲跳閘后需要更換。保險(xiǎn)絲將完全停止電流的流動(dòng)（這在關(guān)鍵應(yīng)用中可能是可取的），但在大多數(shù)類似的過電流事件之后，PTC將繼續(xù)使設(shè)備運(yùn)行，除了在極端情況下。

像449系列NANO2 SLO-BLO超小型保險(xiǎn)絲（圖2），這樣的表面貼裝保險(xiǎn)絲廣泛用于電池充電電路保護(hù)應(yīng)用中。其獨(dú)特的延時(shí)功能有助于通過抑制浪涌電流來減少有害“誤斷”的發(fā)生，這種浪涌電流將使保險(xiǎn)絲更快速地?cái)嚅_。

圖2 NANO2 SLO-BLO超小型保險(xiǎn)絲

用于為無人機(jī)和無人機(jī)控制器充電的電纜也會(huì)出現(xiàn)電氣故障。在任何充電配置中，正在充電的設(shè)備，電纜和充電器必須一起工作。越來越多的無人機(jī)和控制器現(xiàn)在采用USB Type C型（USB-C）充電端口。USB-C電纜具有一個(gè)或多個(gè)對(duì)稱（因此可逆）24針連接器。USB-C充電器的一端是一個(gè)AC插頭（用于插入電源），另一端是帶有USB-C連接器的電纜（用于插入要充電的設(shè)備）或或USB-C輸出端口，允許插入U(xiǎn)SB-C電纜。

USB-C電纜容易受到兩種不同來源的損壞。第一個(gè)問題是這些電纜在使用具有非常緊密的針對(duì)針間距的連接器時(shí)必須承載的高功率水平，這增加了可能導(dǎo)致熱事件的故障風(fēng)險(xiǎn)。第二個(gè)問題是連接器易受連接器引腳變形或灰塵，金屬顆粒，頭發(fā)或其他碎屑的污染的影響，這會(huì)造成不受控制的過熱風(fēng)險(xiǎn)，可能會(huì)導(dǎo)致從電源線到接地的電阻性故障。這些電阻性故障會(huì)導(dǎo)致危險(xiǎn)的溫升，同時(shí)只會(huì)使電流增加極少量。USB-C連接器中的電阻性故障會(huì)損壞電纜和正在充電的設(shè)備。

防止這些破壞性電阻故障的最新方法是在USB-C插頭的通信通道（CC）中放置一個(gè)保護(hù)器件，而不是像過去通常那樣安裝在VBUS線路上。緊湊型PolySwitch setP數(shù)字溫度指示器（圖3）是最新器件，旨在保護(hù)USB Type-C電纜免受這些過熱條件的影響。 setP檢測到溫度升高，然后“警告”系統(tǒng)關(guān)閉電源。

圖3 PolySwitch setP數(shù)字溫度指示器有助于保護(hù)USB Type-C插頭免受過熱影響。 它們的設(shè)計(jì)符合USB Type-C的規(guī)格，甚至可以幫助保護(hù)最高水平的USB供電。

保護(hù)GPS、接收器天線和I/O端

如圖1所示，靜電放電（ESD）是無人機(jī)多個(gè)子系統(tǒng)的一個(gè)問題，包括全球定位系統(tǒng)（GPS）和接收器天線以及各種I/O端口。當(dāng)這些區(qū)域形成高電位電流的電氣路徑時(shí)，每個(gè)接入點(diǎn)都會(huì)成倍地增加直接和潛在損害的風(fēng)險(xiǎn)。例如，電源端口是低電壓輸入，用于為電池充電。作為真正的直流電路，推薦使用高電容值抑制器。由于該電路也可能遇到更高的能量瞬變（閃電，系統(tǒng)浪涌，EFT），因此推薦使用多層壓敏電阻，因?yàn)樗哂蠩SD保護(hù)之外的功能。此外，如果發(fā)生持續(xù)的過電流事件（電池故障，電路故障等），可以使用保險(xiǎn)絲來中斷過電流狀況并保護(hù)系統(tǒng)。

電路設(shè)計(jì)人員可為天線提供各種ESD保護(hù)選項(xiàng)，包括ESD抑制器和TVS二極管。 例如，Pulse-Guard ESD抑制器使用聚合物復(fù)合材料來抑制快速上升的ESD瞬變（如IEC 61000-4-2中所規(guī)定），同時(shí)幾乎不增加電路電容。它們補(bǔ)充了集成電路的片上保護(hù)，最適合低電壓，高速應(yīng)用，在這些應(yīng)用中低電容對(duì)確保數(shù)據(jù)信號(hào)完整性非常重要。

TVS（瞬態(tài)電壓抑制器）二極管旨在保護(hù)電子電路免受瞬態(tài)和過壓威脅，如EFT（電快速瞬變）和ESD（靜電放電）。 TVS二極管作為硅雪崩器件的典型選項(xiàng)，通常因其響應(yīng)時(shí)間快（低鉗位電壓）、電容低、漏電流小。 它們可用于單向（單極）或雙向（雙極）二極管電路配置。 選擇TVS二極管時(shí)需要考慮的重要參數(shù)包括反向偏壓（VR），峰值脈沖電流（IPP）和最大鉗位電壓（VCmax）。

保護(hù)I / O端口免受ESD影響

ESD也是飛行控制器上的I/O端口和飛行控制電機(jī)的電子速度控制器（ESC）所關(guān)心的一個(gè)問題。保護(hù)該信號(hào)端口的主要考慮因素是信號(hào)的數(shù)據(jù)速率。 隨著數(shù)據(jù)速率的增加，考慮所選抑制器的電容值至關(guān)重要，以免在系統(tǒng)中引入任何信號(hào)完整性問題。例如，低速運(yùn)行的端口中的電路應(yīng)使用較高電容的多層壓敏電阻或TVS二極管陣列進(jìn)行保護(hù)。同樣，電路板設(shè)計(jì)人員將決定是否使用分立MLV與多通道二極管，以保持放置靈活性（分立器件）或盡量減少器件數(shù)量（陣列產(chǎn)品）。

對(duì)于非常高的數(shù)據(jù)速率協(xié)議，幾乎沒有電容的抑制器是必不可少的，這樣系統(tǒng)就可以在不損失信號(hào)質(zhì)量的情況下傳輸和接收數(shù)據(jù)。基于聚合物的ESD抑制器具有遠(yuǎn)低于1.0 pF的電容值，可以在這些較高的數(shù)據(jù)傳輸速率下工作。

保護(hù)其它無人機(jī)子系統(tǒng)

PTC器件通常用于萬向節(jié)電機(jī)（這是穩(wěn)定機(jī)載攝像頭產(chǎn)生的圖像的子系統(tǒng)的一部分）和飛行控制電機(jī)的過電流保護(hù)。 保險(xiǎn)絲和PTC器件也經(jīng)常用于配電組件（如ESC，電源集線器和電池監(jiān)控器）的過流保護(hù)。 TVS二極管非常適合保護(hù)處理無人機(jī)和地面站之間通信的Wi-Fi天線/通信端口。