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Littelfuse 力特奥维斯

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采用正确的电路保护设计,让无人机高飞 (Part I)

2019-08-14
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近年来,市场上的无人机数量迅速增长。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。它们以各种价位出售,从相对便宜的消费型到用于航空成像和数据收集的功能更强的无人机,包括房地产摄影、工业和公用事业检验以及农业应用,如农作物检查。州政府和地方政府也在利用无人驾驶飞机为紧急服务收集信息,包括搜救行动。


无论使用何种无人机或使用多少无人机,所有无人机都容易受到许多相同故障和故障条件的影响。这些情况可能导致的问题,从仅仅是烦人的(无法启动或飞行的无人机)到灾难性的(导致重大财产损失或人身伤害的坠机)。经常遇到由于一些电气问题而导致电池在充电期间着火或中途飞行失败,这特别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施电池无源保护系统,静电放电(ESD)保护和电机堵转保护。


图1: 需要电路保护的无人机子系统 


图1展示了一种通用的无人机设计,突出了无人机制造商在为其产品的各种电子子系统和每种应用的一些最常见的电路保护元件设计时必须考虑的一些领域。


保护电池和充电电路

显然,无人机需要机载电池来为其操作提供动力。锂聚合物(Lipo)电池是无人驾驶飞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,每个电池的电压更高,因此它们可以用比其他可充电电池更少的电池数量为无人驾驶飞机的机载系统供电。它们的放电速度也比其他类型的慢,因此它们在不使用时能保持更长的充电时间。但是,如果没有正确充电或使用,它们不能长时间提供最佳性能,甚至可能开始冒烟和起火。


过放电和过充电是两种外部产生的事件,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1.5伏以下,阳极会产生气体。当电压降到1V以下时,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(电流中断器件)和内部PTC(正温度系数环状式,加热时电阻增加),但LiPo电池没有内部CID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防护无人机电池免受过电流和过热条件的影响,包括热激活的金属混合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。许多产品提供可复位且精确的过热保护,其紧凑的外形和薄的外形尺寸简化了超薄电池组设计中的电路保护。


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,并可增强对热事件的过热保护。


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锂离子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;传统保险丝保护后需要更换。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将继续使设备工作,除非在极端情况下。


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。独特的延时功能有助于减少有害“误断”的发生,这种浪涌电流将导致快速动作的保险丝断开。


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 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),另一端是有USB-C连接器的电缆(用于插入要充电的设备)或可以插入USB-C电缆的USB-C输出端口。


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。第二个因素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,可能会造成从电源线到接地的阻性故障。这些阻性故障会导致危险的温升,虽然电流增加不大。USB-C连接器中的阻性故障会损坏电缆和正在充电的设备。


防止这些破坏性阻性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放在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插头免于过热。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。


未完待续,敬请期待:

保护GPS、接收器天线和I/O端

保护I / O端口免受ESD影响

保护其它无人机子系统



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