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無(wú)人機(jī)的電路保護(hù)設(shè)計(jì)

發(fā)布日期:2021-05-09??來(lái)源:雨飛工作室我要投稿我要評(píng)論
     近年來(lái),市場(chǎng)上的無(wú)人機(jī)數(shù)量迅速增長(zhǎng)。無(wú)論某種無(wú)人機(jī)如何使用或成本如何,所有無(wú)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(wú)法啟動(dòng)或起飛的無(wú)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(shuō)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(lái)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(wú)人機(jī)設(shè)計(jì),強(qiáng)調(diào)了無(wú)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(wú)人機(jī)子系統(tǒng)
 

保護(hù)電池和充電電路

無(wú)人機(jī)需要機(jī)載電池來(lái)為其運(yùn)作提供動(dòng)力。鋰聚合物(Lipo)電池是無(wú)人機(jī)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(guān))的優(yōu)勢(shì),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(wú)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?cè)诓皇褂脮r(shí)能保持更長(zhǎng)的充電時(shí)間。但是,如果充電或使用不當(dāng),它們無(wú)法提供長(zhǎng)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(yáng)極會(huì)產(chǎn)生氣體。當(dāng)電壓降到1V以下時(shí),來(lái)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(wú)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)崛蹟嗥鳎═CO)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(jiǎn)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(zhǎng)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(jiǎn)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(lái)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(wú)人機(jī)和無(wú)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(lái)越多的無(wú)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(lái)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(cè)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(wú)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(lái)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(lái)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)?;诰酆衔锏腅SD抑制器具有遠(yuǎn)低于1.0pF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(wú)人機(jī)子系統(tǒng)

PTC器件通常用于萬(wàn)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(wú)人機(jī)和地面站之間通信的Wi-Fi天線/通信端口。
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