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            無人機的電路保護設計

            發布日期:2021-05-09??來源:雨飛工作室我要投稿我要評論
                 近年來,市場上的無人機數量迅速增長。無論某種無人機如何使用或成本如何,所有無人機都容易受到許多相同故障和故障條件的影響。這些情況可能會導致各種各樣的問題,從僅僅是煩人的(無法啟動或起飛的無人機)到災難性的(導致重大財產損失或人身傷害的墜機事故)。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生故障,這些都是常見的例子,這就突出說明了為什么強大的電氣保護是必不可少的。幸運的是,越來越多的工具和技術可用于實現被動電池安全系統,靜電放電(ESD)保護和失速電機保護。

            圖1展示了一個通用的無人機設計,強調了無人機制造商在為其產品的各種電氣子系統設計電路保護時必須考慮的一些領域,以及為每個應用程序設計一些最常見的電路保護組件。


            圖1:需要電路保護的無人機子系統
             

            保護電池和充電電路

            無人機需要機載電池來為其運作提供動力。鋰聚合物(Lipo)電池是無人機最常用的電池類型之一,因其具有高能量密度(與尺寸和重量相關)的優勢,每個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量的電池為無人機的機載系統供電。它們的放電速度也比其它類型的慢,因此它們在不使用時能保持更長的充電時間。但是,如果充電或使用不當,它們無法提供長時間的最佳性能,甚至可能開始冒煙和起火。

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

            有多種電路保護選項可用于幫助保護無人機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絲。MHP-TA器件結合了低熱阻效應,高保持電流額定值和緊湊尺寸的優點,這對于保護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熱熔斷器(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。 在超薄電池組的設計中,許多產品提供可復位且精確的過熱保護,其緊湊的外形和薄尺寸簡化了電路保護。

            對于其它電池化學品,如鋰離子(Li-Ion),鎳金屬氫化物(NiMH)或鎳鎘(NiCd),PolySwitch PPTC可復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代理機構的認可使設計人員更容易滿足法規要求。 它們的低電阻有助于延長電池工作時間,并可增強過熱保護。

            小尺寸,低高度的POLYFUSE LoRho表面貼裝自恢復PPTC非常適用于鋰離子和LiPo電池組的保護電路模塊,以超低內阻,低電壓降和功耗提供快速過流和過熱保護。 通過自動復位,它們為一次性保險絲提供低維護替代,以實現過流保護。 因為它們是為了表面安裝印刷電路板上而進行封裝的,所以它們可以安裝在電路板上的電子保護模塊中,從而簡化了裝配過程。

            雖然保險絲和PTC都是過電流保護器件,但PTC可以自動復位;傳統保險絲跳閘后需要更換。保險絲將完全停止電流的流動(這在關鍵應用中可能是可取的),但在大多數類似的過電流事件之后,PTC將繼續使設備運行,除了在極端情況下。

            像449系列NANO2 SLO-BLO超小型保險絲(圖2),這樣的表面貼裝保險絲廣泛用于電池充電電路保護應用中。其獨特的延時功能有助于通過抑制浪涌電流來減少有害“誤斷”的發生,這種浪涌電流將使保險絲更快速地斷開。



            圖2 NANO2 SLO-BLO超小型保險絲

            用于為無人機和無人機控制器充電的電纜也會出現電氣故障。在任何充電配置中,正在充電的設備,電纜和充電器必須一起工作。越來越多的無人機和控制器現在采用USB Type C型(USB-C)充電端口。USB-C電纜具有一個或多個對稱(因此可逆)24針連接器。USB-C充電器的一端是一個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備)或或USB-C輸出端口,允許插入USB-C電纜。

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

            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)中放置一個保護器件,而不是像過去通常那樣安裝在VBUS線路上。緊湊型PolySwitch setP數字溫度指示器(圖3)是最新器件,旨在保護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”系統關閉電源。



            圖3 PolySwitch setP數字溫度指示器有助于保護USB Type-C插頭免受過熱影響。 它們的設計符合USB Type-C的規格,甚至可以幫助保護最高水平的USB供電。


            保護GPS、接收器天線和I/O端

            如圖1所示,靜電放電(ESD)是無人機多個子系統的一個問題,包括全球定位系統(GPS)和接收器天線以及各種I/O端口。當這些區域形成高電位電流的電氣路徑時,每個接入點都會成倍地增加直接和潛在損害的風險。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,系統浪涌,EFT),因此推薦使用多層壓敏電阻,因為它具有ESD保護之外的功能。此外,如果發生持續的過電流事件(電池故障,電路故障等),可以使用保險絲來中斷過電流狀況并保護系統。

            電路設計人員可為天線提供各種ESD保護選項,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合材料來抑制快速上升的ESD瞬變(如IEC 61000-4-2中所規定),同時幾乎不增加電路電容。它們補充了集成電路的片上保護,最適合低電壓,高速應用,在這些應用中低電容對確保數據信號完整性非常重要。

            TVS(瞬態電壓抑制器)二極管旨在保護電子電路免受瞬態和過壓威脅,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,通常因其響應時間快(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二極管時需要考慮的重要參數包括反向偏壓(VR),峰值脈沖電流(IPP)和最大鉗位電壓(VCmax)。

            保護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的電子速度控制器(ESC)所關心的一個問題。保護該信號端口的主要考慮因素是信號的數據速率。 隨著數據速率的增加,考慮所選抑制器的電容值至關重要,以免在系統中引入任何信號完整性問題。例如,低速運行的端口中的電路應使用較高電容的多層壓敏電阻或TVS二極管陣列進行保護。同樣,電路板設計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)或盡量減少器件數量(陣列產品)。
            對于非常高的數據速率協議,幾乎沒有電容的抑制器是必不可少的,這樣系統就可以在不損失信號質量的情況下傳輸和接收數據?;诰酆衔锏腅SD抑制器具有遠低于1.0pF的電容值,可以在這些較高的數據傳輸速率下工作。

            保護其它無人機子系統

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