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无人机电路保护设计,提高无人机在空中的安全
发布者:深圳市踏歌科技有限公司  发布时间:2017-03-23
  无人机子系统和电路保护
  一种通用的无人机设计,其中强调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问题,以及针对每一种应用讨论最常见的电路保护元件。
  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。尽管如此,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。
  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。
  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。
  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插件自恢复保险丝贴片自恢复保险丝
  GPS、接收器天线和I/O埠的保护
静电放电(ESD)是全球定位系统(GPS)
  如上图所示,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。
  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、系统冲击、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。
  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。静电抑制器ESD静电二极管、使用聚合物复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。
  TVS(瞬态电压抑制)二极管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二极管通常着眼于其反应时间快(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)二极管电路结构中都能使用。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)。
  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。随着资料率增加,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二极管阵列保护。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或多线二极管。
  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。
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