【应用】使用合适的电路保护设计可靠的无人机
毫无疑问的“飞行员失控”是许多无人机事故和坠毁的原因。但“失控”背后的原因是什么呢？毕竟，即便是小型的休闲无人机，也要依靠许多子系统才能保持在空中飞行，如GPS、接收器天线、WiFi I/O端口和电子速度控制器，如果失去一个，无人机很快就会变成UFO。
过去几年中，消费型、专业型和商用型无人机(有时被称为无人机系统(UASs)或无人机(UAVs))每年的销量在迅速增长。美国联邦航空管理局预计，到2020年，销量将从今年的约250万增长至700万，其中430万将出售给业余爱好者，270万将用于专业和商业应用。非军用无人机的价格范围很广，从成本不到100美元的玩具到成本高达数千的复杂商业无人机，如航拍、公共安全服务、农业和野生动物管理等领域（图一）。
图一 无人机有多种功能，价格也各不相同，但它们都有许多共同的电路保护要求
不管一架特定的无人机如何使用或花费多少，所有的无人机都容易受到类似的故障和故障情况的影响。这些情况会导致各种各样的问题，从令人讨厌的(不会启动或起飞的无人机)到灾难性的(造成重大财产损失或人身伤害的坠机)。电池在充电过程中着火或在飞行过程中由于许多电气问题而发生故障，这些都是常见的例子，同时也可以看出为什么强大的电力保护是必不可少的。幸运的是，越来越多的工具和技术可以用于实现无源电池安全系统、静电放电保护和失速电机保护。
无人机子系统与电路保护
图二展示出了一种通用无人机设计，突出了无人机制造商在设计其产品的各种电气子系统和每个应用中最常见的电路保护组件时必须考虑的一些领域。
图二 需要电路保护的无人机子系统
保护电池和充电电路
显然，无人机需要车载电池来为它们的操作提供动力。锂聚合物(LiPo)电池是无人机最常见的电池类型之一，因为它们在尺寸和重量方面具有高能量密度的优势，每个电池具有更高的电压，因此它们可以为无人机机载系统提供比其他可充电电池更少的电池。它们的放电速度也比其他类型的要慢，所以在不使用的时候，它们的充电时间会更长。然而，如果不充电或使用不当，它们就不能长期提供最佳性能，甚至可能开始冒烟并起火。
过放电和过充是两种外部产生的事件，会导致锂离子电池出现问题。在过放电过程中，如果电池电压降至约1.5V，则在阳极处会产生气体。当电压降至1V以下时，来自电流收集器的铜溶解，导致电池内部短路。因此，需要低压保护，由电池保护IC提供。当电池电压达到大约4.6V时，过充会在阴极处产生气体和热量积聚。尽管圆柱形电池具有来自压力的内部保护、激活的CIDs（电流中断装置）和内部PTCs（当加热时电阻增加的正温度系数盘），但锂聚合物(LiPo)电池不具有内部CIDs和PTCs。外部过压、过气和过温保护对锂聚合物电池尤其重要。
可以使用多种电路保护选项来保护无人机电池不受过流和过温条件的影响，包括金属混合PPTC和热激活（MHT-TA）器件（图三），多开关PPTC器件，低电阻SMD PPTC器件，以及表面电磁熔断器。
图三 具有热激活（MHT-TA）器件的金属混合PPTC
MHP-TA器件结合了低温度截止温度、高保持电流额定值和紧凑尺寸的优点，这对于保护锂电池是非常宝贵的。最新的MHP-TA器件提供9VDC额定值和比典型的电池热切断（TCO）器件更高的电流额定值。它们能够处理高容量LiPo电池中常见的电压和电池充电速率问题(图四)。许多都提供可复位和准确的过温保护，并且其紧凑封装和薄的形状简化了超薄电池组设计中的电路保护。
图四 MHP-TA锂电池组电路图
对于其他电池化学材料，如锂离子(Li-ion)，镍金属氢化物(NiMH)，或镍镉(NiCd)，多开关PPTC可复位装置（图五）可以提供更好的解决方案。它们不仅与大容量电子组件兼容，而且它们的UL、CSA和TÜV机构识别使得设计者更容易满足法规要求。它们的低电阻有助于提高电池的运行时间，并增强了对热事件的过温保护(图六)。
图五 聚合开关PPTC（聚合物正温度系数）可复位器件
图六 典型可充锂电池组电路图
小排量、低高度配置的多熔丝洛荷表面可复位PPTCs(图七)适用于锂离子和LiPo电池组的保护电路模块，提供了超低的内阻、电压降和功耗的快速过流和超温保护。通过自动复位，它们提供了用于过电流保护的一次性熔断器的低维护替代方案。因为它们被封装成印刷电路板上的表面贴装，所以它们可以安装在电路板上的电子保护模块中，简化装配过程。
图七 聚熔丝LoRho表面贴装可复位PPTCs
虽然熔断器和PTCs都是过流保护装置，但是PTCs可以自动复位，传统的熔断器在跳闸后需要更换。保险丝将完全切断电流(这在关键的应用中可能是理想的)，但是在大多数类似的过电流之后，PTCs继续使设备能够工作，除了在极端情况下。表面安装保险丝，如LITTELFUSE 449系列NANN2®SLO-BLO®超小型熔断器（图八）适用于电池充电电路保护应用。他们独特的延时特性有助于减少“开口”的发生率，通过调节涌流，将会快速把保险丝打开。
图八 LITTELFUSE 449系列NANN2®SLO-BLO®超小型保险丝
GPS，接收器天线和I/O端口的保护
如图二所示，静电放电（ESD）是包括全球定位系统（GPS）和接收机天线以及各种I/O端口在内的多个无人机子系统所关心的问题。每个接入点都会增加当这些区域形成高电位电流的电路时可能发生的直接和潜在损害风险。例如，电源端口是一个低电压输入端，用于给电池充电。作为真正的直流电路，推荐使用高电容抑制器。由于该电路也可能遇到更高能量的瞬变（闪电，系统浪涌，EFT），因此建议使用多层压敏电阻，因为它具有超出ESD保护的功能。 此外，如果发生持续过电流事件（电池故障，电路故障等），可使用熔断器来中断过流状况并保护系统。
电路设计人员对于天线有各种ESD保护选项，包括ESD抑制器和TVS二极管。LITTELFUSE PULSE-GUARD@ESD抑制器（图九）使用聚合物复合材料来抑制快速上升的ESD瞬变（如IEC 61000-4-2中所述），同时几乎不向电路添加电容。它们补充了集成电路的片上保护，最适合低电压，高速应用，其中低电容对于确保数据信号完整性非常重要。
图九LITTELFUSE PULSE-GUARD@ESD抑制器
TVS（瞬态电压抑制器）二极管设计用于保护电子电路不受EFT（快速瞬变）和ESD（静电放电）等瞬态和过压威胁的影响。TVS二极管是硅雪崩器件，通常被选择的原因是由于其快速的响应时间（低钳位电压）、低电容和低漏电流。它们可以用在单向（单极）或双向（双极）的二极管电路配置。选择TVS二极管时要考虑的重要参数包括反向关断电压（VR），峰值脉冲电流（IPP）和最大钳位电压（VCmax）。
保护I/O端口免受ESD影响
ESD也是飞行控制器上的I/O端口和飞行控制电机的电子速度控制器（ESC）所关注的问题。 保护这个信号端口的首要考虑因素是信号的数据速率。随着数据速率的增加，考虑所选抑制器的电容是至关重要的，以免将任何信号完整性问题引入系统。例如，此端口在低速运行的电路应采用更高容量的多层压敏电阻或TVS二极管阵列进行保护（图十）。再次，电路板设计师将根据他们希望保持放置灵活性（分立器件）或最小化元件数量（阵列产品）的需求来决定是否使用分立MLV与多线二极管。
图十 Littelfuse SP3014系列TVS二极管阵列
Littelfuse SP3014系列TVS二极管阵列集成了两个低电容转向二极管通道和一个齐纳二极管，为可能遭受破坏性ESD的电子设备提供保护。PGB10603系列PulseGuard®ESD抑制器还可以保护敏感电路免受ESD影响;它们补充了集成电路的片上保护，并且非常适合低电压和那些注重低容量的高速应用。它们非常适合使用USB 2.0，IEEE1394，HDMI和DVI等高速协议保护数据端口。
对于极高的数据速率协议，有必要使用几乎没有电容的抑制器，使得系统能够在没有信号质量损失的情况下发送和接收数据。基于聚合物的ESD抑制器的电容值远低于1.0 pF，可以在更高的数据传输速率下工作。
保护其他无人机子系统
PTC器件通常用于对万向节电机（这是子系统的一部分，用于稳定车载摄像头产生的图像）和飞行控制电机的过电流保护。保险丝和PTC器件还常用于配电组件（如电调，功率集线器和电池监控器）的过电流保护。TVS二极管非常适合保护处理无人机和地面站之间通信的WiFi天线/通信端口。
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