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“飛行員失去控制”無疑是眾多無人機事故和墜機背后的罪魁禍首。但「失去控制」的原因是什麼？畢竟，即使小型休閒無人機也要依靠一堆子系統(tǒng)才能在空中翱翔。本文討論如何利用保護電路設計穩(wěn)定可無人機...
一架正在美國維吉尼亞州賽車公園拍攝潘普隆納(Pamplona)式「奔?！沟臒o人機突然墜入下方人群，造成圍觀群眾受傷；義大利的一場滑雪比賽中，一架15kg空拍機從空中跌落，勉強避開奧地利選手Marcel Hirscher后撞上他身后的斜坡；一架自由無人機衝破南非開普敦一棟五層辦公大樓的窗戶，擊中在工作中毫無戒心的賽車手David Perel；在倫敦希斯羅機場，一架空中巴士客機A320起飛時險些撞上一架無人機；西雅圖市中心海濱附近，一架無人機撞進禁飛范圍內(nèi)的西雅圖摩天輪——據(jù)說這是美國西岸最大的摩天輪，高達175英遲——其后墜入附近碼頭，并驚動了警方關切……
“飛行員失去控制”(pilot losing control)無疑是眾多無人機事故和墜機背后的罪魁禍首。但「失去控制」的原因是什麼？畢竟，即使小型休閒無人機也要依靠一堆子系統(tǒng)(GPS、接收器天線、WiFi、I/O埠和電子速度控制器)才能在空中翱翔。即使僅失去其中一個元件，也可能讓這個“無人飛行載具”(UAV)迅速變成UFO。
過去幾年來，消費級、專業(yè)級和商用級無人機——有時也稱無人飛機系統(tǒng)(UAS)或UAV的年銷售量成長迅速。未來的銷售成長看來將更迅速，根據(jù)美國聯(lián)邦航空總署(FAA)預測，無人機的銷售量將從2016年大約250萬架成長到2020年約有700萬架，其中430萬架無人機的銷售對象是業(yè)馀愛好者，專業(yè)和商業(yè)用無人機約佔270萬架。市場上可以買到各種價位的非軍用無人機，包括從價格不到100美元的玩具到用于空拍、公共安全服務、農(nóng)業(yè)和野生動物管理等要價數(shù)千美元的複雜商用無人機(圖1)。
圖1：市場上可以買到各種價位以及涵蓋不同功能的無人機，但其基本的電路保護要求都是一樣的
不管你的無人機用途有多麼特別、價格有多麼高，它都可能出現(xiàn)類似的故障和失效情況。這些情況可能引發(fā)各種問題，包括從無人機無法啟動或起飛的小問題到災難性的事故，如無人機墜毀，從而導致人員傷害或財產(chǎn)損失。
充電時發(fā)生電池著火，或由于某種電氣問題引發(fā)無人機飛行途中故障等類似案例頻傳，并突顯出可靠的電路保護元件對于無人機設計至關重要。幸運的是，我們已有越來越成熟的技術(shù)和工具可以因應上述電池安全系統(tǒng)的被動保護、靜電放電(ESD)保護，以及馬達卡住保護等要求。
無人機子系統(tǒng)和電路保護
圖2表示一種通用的無人機設計，其中強調(diào)無人機製造商在為其產(chǎn)品的各種電氣子系統(tǒng)設計電路保護時必須考慮的問題，以及針對每一種應用討論最常見的電路保護元件。
圖2：無人機子系統(tǒng)需要電路保護
電池和充電電路的保護
顯然地，無人機需要機載電池為其提供電力。相較于其它可充電電池，鋰離子聚合物(LiPo)電池以其尺寸和重量而言，具有更高的能量密度和電壓，因而用較少的電池芯數(shù)量即可達到系統(tǒng)供電要求，因而成為無人機最常用的電池類型。這種電池的自放電率也低于其它類型電池，長時間放置未使用的能量損耗也很小。儘管如此，如果充電條件或使用方法不當，仍會對其性能造成一定的損壞，甚至導致更嚴重的冒煙和起火等情況。
過度放電和過度充電這兩種情況都會為鋰離子電池帶來問題。在發(fā)生過放電期間，如果電池電壓降低到1.5V左右，陽極便會產(chǎn)生氣體。而當電壓持續(xù)下降到低于1V，則會使電流收集器發(fā)生銅溶解，從而造成電池內(nèi)部短路的嚴重后果。因此，實際應用中都需要由電池保護IC實現(xiàn)欠壓保護。當電池過充導致電壓達到4.6V以上時，會在陰極產(chǎn)生氣體和發(fā)熱。
雖然圓柱形鋰離子電池具有內(nèi)部過壓保護，能夠啟動電流遮斷裝置(CID)和內(nèi)部正溫度系數(shù)(PTC；加熱時增加電阻)裝置；但LiPo電池不具備CID和PTC，因此增加外部過電壓、過電流與過溫保護就顯得格外重要。
目前可供無人機電池實現(xiàn)過電流和過溫保護的保護元件種類繁多，包括具有精確過溫保護的雙金屬片混合PPTC元件(MHP-TA)(圖3)、PolySwitch PPTC元件、低電阻SMD PPTC元件和表面裝貼熔絲。
圖3：熱敏金屬混合PPTC MHP-TA元件
MHP-TA元件集合了低關斷溫度、高保持電流和小尺寸的優(yōu)點，非常適合LiPo電池的保護。最新的MHP-TA元件可提供9V DC額定電壓，電流能力也高于傳統(tǒng)的熱熔斷(TCO)元件，足以因應當今大容量聚合物鋰電池中的電壓和倍率充電要求(圖4)。許多MHP-TA元件還兼具可重置、精確過溫保護、小尺寸封裝與纖薄的優(yōu)點，特別適合超薄電池組設計的電路保護。
圖4：MHP-TA LiPo電池組電路圖
對于其它化學反應電池，如鋰離子(Li-ion)、鎳氫金屬電池(NiMH)或鎳鎘(NiCd)、PolySwitch PPTC可重置元件(圖5)能提供理想的解決方案。它們不僅相容于高容量的電子設備，其UL、CSA和T?V認證使得設計者能夠更輕鬆地滿足安全規(guī)章要求。其低電阻特性有助于提高電池作業(yè)時間，增強了對于熱事件的過溫保護(圖6)。
圖5：PolySwitch PPTC(聚合物正溫度系數(shù))自恢復元件
圖6：典型的可充電鋰電池組電路圖
小巧的POLY-FUSE LoRho表面裝貼可重置PPTC元件(圖7)非常適合保護鋰離子和聚合物鋰電池組的電路模組，以超低內(nèi)部電阻、低壓降以及功率耗散，提供快速過電流和過溫度保護。透過自動重置功能，這些PPTC元件可為過電流保護提供取代一次性熔絲的低維護替代方案。由于採用安裝在電路板上的表面裝貼封裝方式，這些元件可安裝在板上的電子保護模組中，從而簡化了組裝過程。
圖7：POLY-FUSE LoRho表面裝貼可重置PPTC
雖然熔絲和PTC都是過電流保護元件，但PTC可以自動重置；而傳統(tǒng)熔絲必須在跳閘后更換。熔絲將完全阻斷電流(關鍵應用中可能必須這樣做)，但在大多數(shù)類似的過電流事件后，PTC仍然允許設備作業(yè)(極端情況除外)。
表面安裝熔絲適合保護電池充電電路的應用，例如449系列NANO2 SLO-BLO微型熔絲(圖8)。其獨特的時間延遲功能有助于減少誤動作。
圖8：449系列NANO2 SLO-BLO微型熔絲
GPS、接收器天線和I/O埠的保護
如圖2所示，靜電放電(ESD)是全球定位系統(tǒng)(GPS)、接收器天線以及各種I/O埠等多種無人機子系統(tǒng)的一大顧慮。
當這些區(qū)域形成高電位電流的電氣路徑時，每個接取點都擴增了可能發(fā)生的直接和潛在損壞風險。例如，充電埠適用于電池充電的低壓輸入。建議使用可作為真正直流(DC)電路的高電容抑制器。由于這種電路也可能經(jīng)歷較高的能量瞬變(閃電、系統(tǒng)衝擊、EFT)，建議使用多層可變電阻，因為它能超越ESD保護。另外，如果過電流事件持續(xù)發(fā)生(電池或電路故障等)，則可使用熔絲中斷過電流條件，從而保護系統(tǒng)。
電路設計人員可為天線使用各種ESD保護方案，包括ESD抑制器和TVS二極管。PULSE-GUARD ESD抑制器(圖9)使用聚合物複合材料抑制快速上升的ESD瞬變(描述于IEC 61000-4-2中)，而幾乎不至于增加電路的電容。這可用于補強積體電路的芯片上保護，最適合用于低電容對確保資料訊號完整性具有重要意義的低壓、高速應用。
圖9：PULSE-GUARD ESD抑制器
TVS(瞬態(tài)電壓抑制)二極體是專為保護電子電路免于受到瞬變和過壓威脅(如EFT和ESD而設計的。TVS二極體通常著眼于其反應時間快(低鉗位電壓)、較低的電容與漏電電流而選用的硅雪崩元件。它們在單向(單極)或雙向(雙極)二極體電路結(jié)構(gòu)中都能使用。選擇TVS二極體時要考慮的重要參數(shù)包括反向關斷電壓(VR)、峰值脈衝電流(IPP)和最大鉗位電壓(VCmax)。
I/O埠的ESD保護
針對飛行控制馬達，ESD也是飛行控制器和電子速度控制器(ESC)I/O埠的一大顧慮。保護該訊號埠的主要考慮因素是訊號的資料率。隨著資料率增加，考慮所選抑制器的電容也至關重要，必須確保不會對系統(tǒng)帶來任何訊號完整性的問題。例如，在該埠中低速執(zhí)行的電路應該使用較高電容的多層可變電阻或TVS二極體陣列保護。此外，電路板設計人員將根據(jù)其選擇保持位置靈活性(分離式元件)還是減少元件數(shù)(陣列產(chǎn)品)，決定使用分離式MLV或多線二極體。
PGB10603系列PulseGuard ESD抑制器還可為敏感電路提供ESD保護，適合著重于低電容的低壓高速應用，并可用于保護使用高速協(xié)定(如USB 2.0、IEEE1394、HDMI和DVI)的數(shù)據(jù)埠。
對于資料率極高的協(xié)定，必須使用幾乎無電容的抑制器，才能使系統(tǒng)在無損訊號品質(zhì)的前提下收發(fā)資料，提供遠低于1.0pF的電容值，以及能在較高資料率下作業(yè)的聚合物ESD抑制器。
其他無人機子系統(tǒng)的保護
PTC元件經(jīng)常用于萬用接頭馬達(用于穩(wěn)定機載攝影機擷取影像的子系統(tǒng)組成部份)和飛行控制馬達上的過電流保護。熔絲和PTC元件還常常用于功率分配元件的過電流保護，如ESC、電力樞紐和電池監(jiān)控裝置。
此外，TVS二極體也非常適用于保護在無人機與地面站之間通訊的Wi-Fi天線/通訊連接埠。
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