无人机设计的常见电路保护组件

无论某种无人机如何使用或成本如何，所有无人机都容易受到许多相同故障和故障条件的影响。本文展示了一种通用的无人机设计，强调了无人机制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一些领域，以及为每个应用程序设计一些最常见的电路保护组件。

近年来，市场上的无人机数量迅速增长。美国联邦航空管理局预测，无论是爱好者还是专业/商用无人机用户，其感兴趣的产品将继续强劲增长。这些无人机的售价范围很广，从相对便宜的消费机型到用于航空成像和数据收集这些功能强大的机型，包括房地产摄影、工业和公用事业检查以及农业应用，如农作物检查。美国各州政府和地方政府也在利用无人机为紧急服务收集信息，包括搜救行动。

无论某种无人机如何使用或成本如何，所有无人机都容易受到许多相同故障和故障条件的影响。这些情况可能会导致各种各样的问题，从仅仅是烦人的（无法启动或起飞的无人机）到灾难性的（导致重大财产损失或人身伤害的坠机事故）。电池在充电过程中着火或飞行途中由于一些电气问题而发生故障，这些都是常见的例子，这就突出说明了为什么强大的电气保护是必不可少的。幸运的是，越来越多的工具和技术可用于实现被动电池安全系统，静电放电（ESD）保护和失速电机保护。

图1展示了一个通用的无人机设计，强调了无人机制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一些领域，以及为每个应用程序设计一些最常见的电路保护组件。

图1:需要电路保护的无人机子系统。

保护电池和充电电路

显然，无人机需要机载电池来为其运作提供动力。锂聚合物（Lipo）电池是无人机最常用的电池类型之一，因为它们具有高能量密度（与尺寸和重量相关）的优势，每个电池具有更高的电压，因此它们可以用比其它可充电电池更少数量的电池为无人机的机载系统供电。它们的放电速度也比其它类型的慢，因此它们在不使用时能保持更长的充电时间。但是，如果充电或使用不当，它们无法提供长时间的最佳性能，甚至可能开始冒烟和起火。

过放电和过充电是外部产生的两种事件，它们会导致锂离子电池出现问题。在过放电过程中，如果电池电压下降到大约1.5V以下，阳极会产生气体。当电压降到1V以下时，来自集电器中的铜溶解，导致电池内部短路。因此，需要由电池保护IC提供欠压保护。当电池电压达到约4.6V时，过度充电会在阴极产生气体和热量积聚。尽管圆柱形电池具有内部压力保护、激活的CIDs（电流中断装置）和内部PTC（正温度系数盘，加热时电阻增加），但LiPo电池没有内部CIDs和PTC。 外部过压，过气和过温保护对锂聚合物电池尤其重要。

有多种电路保护选项可用于帮助保护无人机电池免受过电流和过热条件的影响，包括带有热激活的金属混合PPTC（MHP-TA）器件，PolySwitch PPTC器件，低电阻SMD PPTC器件和表面安装保险丝。 MHP-TA器件结合了低热阻效应，高保持电流额定值和紧凑尺寸的优点，这对于保护LiPo电池非常有用。 最新的MHP-TA器件提供9VDC额定值和比典型电池热熔断器（TCO）更高的额定电流。 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。 在超薄电池组的设计中，许多产品提供可复位且精确的过热保护，其紧凑的外形和薄尺寸简化了电路保护。

对于其它电池化学品，如锂离子（Li-Ion），镍金属氢化物（NiMH）或镍镉（NiCd），PolySwitch PPTC可复位器件可提供更好的解决方案。它们不仅与大容量电子组件兼容，而且其UL，CSA和TÜV代理机构的认可使设计人员更容易满足法规要求。 它们的低电阻有助于延长电池工作时间，并可增强过热保护。

小尺寸，低高度的POLYFUSE LoRho表面贴装自恢复PPTC非常适用于锂离子和LiPo电池组的保护电路模块，以超低内阻，低电压降和功耗提供快速过流和过热保护。 通过自动复位，它们为一次性保险丝提供低维护替代，以实现过流保护。 因为它们是为了表面安装印刷电路板上而进行封装的，所以它们可以安装在电路板上的电子保护模块中，从而简化了装配过程。

虽然保险丝和PTC都是过电流保护器件，但PTC可以自动复位；传统保险丝跳闸后需要更换。保险丝将完全停止电流的流动（这在关键应用中可能是可取的），但在大多数类似的过电流事件之后，PTC将继续使设备运行，除了在极端情况下。

像449系列NANO2 SLO-BLO超小型保险丝（图2），这样的表面贴装保险丝广泛用于电池充电电路保护应用中。其独特的延时功能有助于通过抑制浪涌电流来减少有害“误断”的发生，这种浪涌电流将使保险丝更快速地断开。

图2 NANO2 SLO-BLO超小型保险丝

用于为无人机和无人机控制器充电的电缆也会出现电气故障。在任何充电配置中，正在充电的设备，电缆和充电器必须一起工作。越来越多的无人机和控制器现在采用USB Type C型（USB-C）充电端口。USB-C电缆具有一个或多个对称（因此可逆）24针连接器。USB-C充电器的一端是一个AC插头（用于插入电源），另一端是带有USB-C连接器的电缆（用于插入要充电的设备）或或USB-C输出端口，允许插入USB-C电缆。

USB-C电缆容易受到两种不同来源的损坏。第一个问题是这些电缆在使用具有非常紧密的针对针间距的连接器时必须承载的高功率水平，这增加了可能导致热事件的故障风险。第二个问题是连接器易受连接器引脚变形或灰尘，金属颗粒，头发或其他碎屑的污染的影响，这会造成不受控制的过热风险，可能会导致从电源线到接地的电阻性故障。这些电阻性故障会导致危险的温升，同时只会使电流增加极少量。USB-C连接器中的电阻性故障会损坏电缆和正在充电的设备。

防止这些破坏性电阻故障的最新方法是在USB-C插头的通信通道（CC）中放置一个保护器件，而不是像过去通常那样安装在VBUS线路上。紧凑型PolySwitch setP数字温度指示器（图3）是最新器件，旨在保护USB Type-C电缆免受这些过热条件的影响。 setP检测到温度升高，然后“警告”系统关闭电源。

图3 PolySwitch setP数字温度指示器有助于保护USB Type-C插头免受过热影响。 它们的设计符合USB Type-C的规格，甚至可以帮助保护最高水平的USB供电。

保护GPS、接收器天线和I/O端

如图1所示，静电放电（ESD）是无人机多个子系统的一个问题，包括全球定位系统（GPS）和接收器天线以及各种I/O端口。当这些区域形成高电位电流的电气路径时，每个接入点都会成倍地增加直接和潜在损害的风险。例如，电源端口是低电压输入，用于为电池充电。作为真正的直流电路，推荐使用高电容值抑制器。由于该电路也可能遇到更高的能量瞬变（闪电，系统浪涌，EFT），因此推荐使用多层压敏电阻，因为它具有ESD保护之外的功能。此外，如果发生持续的过电流事件（电池故障，电路故障等），可以使用保险丝来中断过电流状况并保护系统。

电路设计人员可为天线提供各种ESD保护选项，包括ESD抑制器和TVS二极管。 例如，Pulse-Guard ESD抑制器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中所规定），同时几乎不增加电路电容。它们补充了集成电路的片上保护，最适合低电压，高速应用，在这些应用中低电容对确保数据信号完整性非常重要。

TVS（瞬态电压抑制器）二极管旨在保护电子电路免受瞬态和过压威胁，如EFT（电快速瞬变）和ESD（静电放电）。 TVS二极管作为硅雪崩器件的典型选项，通常因其响应时间快（低钳位电压）、电容低、漏电流小。 它们可用于单向（单极）或双向（双极）二极管电路配置。 选择TVS二极管时需要考虑的重要参数包括反向偏压（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）所关心的一个问题。保护该信号端口的主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值至关重要，以免在系统中引入任何信号完整性问题。例如，低速运行的端口中的电路应使用较高电容的多层压敏电阻或TVS二极管阵列进行保护。同样，电路板设计人员将决定是否使用分立MLV与多通道二极管，以保持放置灵活性（分立器件）或尽量减少器件数量（阵列产品）。

对于非常高的数据速率协议，几乎没有电容的抑制器是必不可少的，这样系统就可以在不损失信号质量的情况下传输和接收数据。基于聚合物的ESD抑制器具有远低于1.0 pF的电容值，可以在这些较高的数据传输速率下工作。

保护其它无人机子系统

PTC器件通常用于万向节电机（这是稳定机载摄像头产生的图像的子系统的一部分）和飞行控制电机的过电流保护。 保险丝和PTC器件也经常用于配电组件（如ESC，电源集线器和电池监控器）的过流保护。 TVS二极管非常适合保护处理无人机和地面站之间通信的Wi-Fi天线/通信端口。