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如何利用保护电路设计确保无人机在空中的安全?

时间:2017-02-20 阅读:
“飞行员失去控制”无疑是众多无人机事故和坠机背后的罪魁祸首。但「失去控制」的原因是什麽?毕竟,即使小型休閒无人机也要依靠一堆子系统才能在空中翱翔。本文讨论如何利用保护电路设计稳定可无人机...
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一架正在美国维吉尼亚州赛车公园拍摄潘普隆纳(Pamplona)式「奔牛」的无人机突然坠入下方人群,造成围观群众受伤;义大利的一场滑雪比赛中,一架15kg空拍机从空中跌落,勉强避开奥地利选手Marcel Hirscher后撞上他身后的斜坡;一架自由无人机衝破南非开普敦一栋五层办公大楼的窗户,击中在工作中毫无戒心的赛车手David Perel;在伦敦希斯罗机场,一架空中巴士客机A320起飞时险些撞上一架无人机;西雅图市中心海滨附近,一架无人机撞进禁飞范围内的西雅图摩天轮——据说这是美国西岸最大的摩天轮,高达175英迟——其后坠入附近码头,并惊动了警方关切……1CCEETC-电子工程专辑

“飞行员失去控制”(pilot losing control)无疑是众多无人机事故和坠机背后的罪魁祸首。但「失去控制」的原因是什麽?毕竟,即使小型休閒无人机也要依靠一堆子系统(GPS、接收器天线、WiFi、I/O埠和电子速度控制器)才能在空中翱翔。即使仅失去其中一个元件,也可能让这个“无人飞行载具”(UAV)迅速变成UFO。1CCEETC-电子工程专辑

过去几年来,消费级、专业级和商用级无人机——有时也称无人飞机系统(UAS)或UAV的年销售量成长迅速。未来的销售成长看来将更迅速,根据美国联邦航空总署(FAA)预测,无人机的销售量将从2016年大约250万架成长到2020年约有700万架,其中430万架无人机的销售对象是业馀爱好者,专业和商业用无人机约佔270万架。市场上可以买到各种价位的非军用无人机,包括从价格不到100美元的玩具到用于空拍、公共安全服务、农业和野生动物管理等要价数千美元的複杂商用无人机(图1)。1CCEETC-电子工程专辑

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图1:市场上可以买到各种价位以及涵盖不同功能的无人机,但其基本的电路保护要求都是一样的1CCEETC-电子工程专辑

不管你的无人机用途有多麽特别、价格有多麽高,它都可能出现类似的故障和失效情况。这些情况可能引发各种问题,包括从无人机无法启动或起飞的小问题到灾难性的事故,如无人机坠毁,从而导致人员伤害或财产损失。1CCEETC-电子工程专辑

充电时发生电池著火,或由于某种电气问题引发无人机飞行途中故障等类似案例频传,并突显出可靠的电路保护元件对于无人机设计至关重要。幸运的是,我们已有越来越成熟的技术和工具可以因应上述电池安全系统的被动保护、静电放电(ESD)保护,以及马达卡住保护等要求。1CCEETC-电子工程专辑

无人机子系统和电路保护

图2表示一种通用的无人机设计,其中强调无人机製造商在为其产品的各种电气子系统设计电路保护时必须考虑的问题,以及针对每一种应用讨论最常见的电路保护元件。1CCEETC-电子工程专辑

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图2:无人机子系统需要电路保护1CCEETC-电子工程专辑

电池和充电电路的保护

显然地,无人机需要机载电池为其提供电力。相较于其它可充电电池,锂离子聚合物(LiPo)电池以其尺寸和重量而言,具有更高的能量密度和电压,因而用较少的电池芯数量即可达到系统供电要求,因而成为无人机最常用的电池类型。这种电池的自放电率也低于其它类型电池,长时间放置未使用的能量损耗也很小。儘管如此,如果充电条件或使用方法不当,仍会对其性能造成一定的损坏,甚至导致更严重的冒烟和起火等情况。1CCEETC-电子工程专辑

过度放电和过度充电这两种情况都会为锂离子电池带来问题。在发生过放电期间,如果电池电压降低到1.5V左右,阳极便会产生气体。而当电压持续下降到低于1V,则会使电流收集器发生铜溶解,从而造成电池内部短路的严重后果。因此,实际应用中都需要由电池保护IC实现欠压保护。当电池过充导致电压达到4.6V以上时,会在阴极产生气体和发热。1CCEETC-电子工程专辑

虽然圆柱形锂离子电池具有内部过压保护,能够启动电流遮断装置(CID)和内部正温度系数(PTC;加热时增加电阻)装置;但LiPo电池不具备CID和PTC,因此增加外部过电压、过电流与过温保护就显得格外重要。1CCEETC-电子工程专辑

目前可供无人机电池实现过电流和过温保护的保护元件种类繁多,包括具有精确过温保护的双金属片混合PPTC元件(MHP-TA)(图3)、PolySwitch PPTC元件、低电阻SMD PPTC元件和表面装贴熔丝。1CCEETC-电子工程专辑

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图3:热敏金属混合PPTC MHP-TA元件1CCEETC-电子工程专辑

MHP-TA元件集合了低关断温度、高保持电流和小尺寸的优点,非常适合LiPo电池的保护。最新的MHP-TA元件可提供9V DC额定电压,电流能力也高于传统的热熔断(TCO)元件,足以因应当今大容量聚合物锂电池中的电压和倍率充电要求(图4)。许多MHP-TA元件还兼具可重置、精确过温保护、小尺寸封装与纤薄的优点,特别适合超薄电池组设计的电路保护。1CCEETC-电子工程专辑

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图4:MHP-TA LiPo电池组电路图1CCEETC-电子工程专辑

对于其它化学反应电池,如锂离子(Li-ion)、镍氢金属电池(NiMH)或镍镉(NiCd)、PolySwitch PPTC可重置元件(图5)能提供理想的解决方案。它们不仅相容于高容量的电子设备,其UL、CSA和T?V认证使得设计者能够更轻鬆地满足安全规章要求。其低电阻特性有助于提高电池作业时间,增强了对于热事件的过温保护(图6)。1CCEETC-电子工程专辑

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图5:PolySwitch PPTC(聚合物正温度系数)自恢复元件1CCEETC-电子工程专辑

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图6:典型的可充电锂电池组电路图1CCEETC-电子工程专辑

小巧的POLY-FUSE LoRho表面装贴可重置PPTC元件(图7)非常适合保护锂离子和聚合物锂电池组的电路模组,以超低内部电阻、低压降以及功率耗散,提供快速过电流和过温度保护。透过自动重置功能,这些PPTC元件可为过电流保护提供取代一次性熔丝的低维护替代方案。由于採用安装在电路板上的表面装贴封装方式,这些元件可安装在板上的电子保护模组中,从而简化了组装过程。1CCEETC-电子工程专辑

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图7:POLY-FUSE LoRho表面装贴可重置PPTC1CCEETC-电子工程专辑

虽然熔丝和PTC都是过电流保护元件,但PTC可以自动重置;而传统熔丝必须在跳闸后更换。熔丝将完全阻断电流(关键应用中可能必须这样做),但在大多数类似的过电流事件后,PTC仍然允许设备作业(极端情况除外)。1CCEETC-电子工程专辑

表面安装熔丝适合保护电池充电电路的应用,例如449系列NANO2 SLO-BLO微型熔丝(图8)。其独特的时间延迟功能有助于减少误动作。1CCEETC-电子工程专辑

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图8:449系列NANO2 SLO-BLO微型熔丝1CCEETC-电子工程专辑

GPS、接收器天线和I/O埠的保护

如图2所示,静电放电(ESD)是全球定位系统(GPS)、接收器天线以及各种I/O埠等多种无人机子系统的一大顾虑。1CCEETC-电子工程专辑

当这些区域形成高电位电流的电气路径时,每个接取点都扩增了可能发生的直接和潜在损坏风险。例如,充电埠适用于电池充电的低压输入。建议使用可作为真正直流(DC)电路的高电容抑制器。由于这种电路也可能经历较高的能量瞬变(闪电、系统衝击、EFT),建议使用多层可变电阻,因为它能超越ESD保护。另外,如果过电流事件持续发生(电池或电路故障等),则可使用熔丝中断过电流条件,从而保护系统。1CCEETC-电子工程专辑

电路设计人员可为天线使用各种ESD保护方案,包括ESD抑制器和TVS二极管。PULSE-GUARD ESD抑制器(图9)使用聚合物複合材料抑制快速上升的ESD瞬变(描述于IEC 61000-4-2中),而几乎不至于增加电路的电容。这可用于补强积体电路的芯片上保护,最适合用于低电容对确保资料讯号完整性具有重要意义的低压、高速应用。1CCEETC-电子工程专辑

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图9:PULSE-GUARD ESD抑制器1CCEETC-电子工程专辑

TVS(瞬态电压抑制)二极体是专为保护电子电路免于受到瞬变和过压威胁(如EFT和ESD而设计的。TVS二极体通常著眼于其反应时间快(低钳位电压)、较低的电容与漏电电流而选用的硅雪崩元件。它们在单向(单极)或双向(双极)二极体电路结构中都能使用。选择TVS二极体时要考虑的重要参数包括反向关断电压(VR)、峰值脉衝电流(IPP)和最大钳位电压(VCmax)。1CCEETC-电子工程专辑

I/O埠的ESD保护

针对飞行控制马达,ESD也是飞行控制器和电子速度控制器(ESC)I/O埠的一大顾虑。保护该讯号埠的主要考虑因素是讯号的资料率。随著资料率增加,考虑所选抑制器的电容也至关重要,必须确保不会对系统带来任何讯号完整性的问题。例如,在该埠中低速执行的电路应该使用较高电容的多层可变电阻或TVS二极体阵列保护。此外,电路板设计人员将根据其选择保持位置灵活性(分离式元件)还是减少元件数(阵列产品),决定使用分离式MLV或多线二极体。1CCEETC-电子工程专辑

PGB10603系列PulseGuard ESD抑制器还可为敏感电路提供ESD保护,适合著重于低电容的低压高速应用,并可用于保护使用高速协定(如USB 2.0、IEEE1394、HDMI和DVI)的数据埠。1CCEETC-电子工程专辑

对于资料率极高的协定,必须使用几乎无电容的抑制器,才能使系统在无损讯号品质的前提下收发资料,提供远低于1.0pF的电容值,以及能在较高资料率下作业的聚合物ESD抑制器。1CCEETC-电子工程专辑

其他无人机子系统的保护

PTC元件经常用于万用接头马达(用于稳定机载摄影机撷取影像的子系统组成部份)和飞行控制马达上的过电流保护。熔丝和PTC元件还常常用于功率分配元件的过电流保护,如ESC、电力枢纽和电池监控装置。1CCEETC-电子工程专辑

此外,TVS二极体也非常适用于保护在无人机与地面站之间通讯的Wi-Fi天线/通讯连接埠。1CCEETC-电子工程专辑

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