一架正在美國維吉尼亞州賽車公園拍攝潘普隆納(Pamplona)式「奔牛」的無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後撞上他身後的斜坡;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範圍內的西雅圖摩天輪——據說這是美國西岸最大的摩天輪,高達175英呎——其後墜入附近碼頭,並驚動了警方關切……

「飛行員失去控制」(pilot losing control)無疑是眾多無人機事故和墜機背後的罪魁禍首。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(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、專業級和商用級無人機——有時也稱無人飛機系統(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,根據美國聯邦航空總署(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餘愛好者,專業和商業用無人機約佔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美元的玩具到用於空拍、公共安全服務、農業和野生動物管理等要價數千美元的複雜商用無人機(圖1)。

20170216 Littelfuse TA31P1 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,它都可能出現類似的故障和失效情況。這些情況可能引發各種問題,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損失。

充電時發生電池著火,或由於某種電氣問題引發無人機飛行途中故障等類似案例頻傳,並突顯出可靠的電路保護元件對於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和工具可以因應上述電池安全系統的被動保護、靜電放電(ESD)保護,以及馬達卡住保護等要求。

無人機子系統和電路保護

圖2表示一種通用的無人機設計,其中強調無人機製造商在為其產品的各種電氣子系統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。

20170216 Littelfuse TA31P2 圖2:無人機子系統需要電路保護

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。相較於其它可充電電池,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量即可達到系統供電要求,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於其它類型電池,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。在發生過放電期間,如果電池電壓降低到1.5V左右,陽極便會產生氣體。而當電壓持續下降到低於1V,則會使電流收集器發生銅溶解,從而造成電池內部短路的嚴重後果。因此,實際應用中都需要由電池保護IC實現欠壓保護。當電池過充導致電壓達到4.6V以上時,會在陰極產生氣體和發熱。

雖然圓柱形鋰離子電池具有內部過壓保護,能夠啟動電流遮斷裝置(CID)和內部正溫度係數(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。

20170216 Littelfuse TA31P3 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,電流能力也高於傳統的熱熔斷(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點,特別適合超薄電池組設計的電路保護。

20170216 Littelfuse TA31P4 圖4:MHP-TA LiPo電池組電路圖

對於其它化學反應電池,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。它們不僅相容於高容量的電子設備,其UL、CSA和T?V認證使得設計者能夠更輕鬆地滿足安全規章要求。其低電阻特性有助於提高電池作業時間,增強了對於熱事件的過溫保護(圖6)。

20170216 Littelfuse TA31P5 圖5:PolySwitch PPTC(聚合物正溫度係數)自恢復元件

20170216 Littelfuse TA31P6 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。由於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。

20170216 Littelfuse TA31P7 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;而傳統熔絲必須在跳閘後更換。熔絲將完全阻斷電流(關鍵應用中可能必須這樣做),但在大多數類似的過電流事件後,PTC仍然允許設備作業(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於減少誤動作。

20170216 Littelfuse TA31P8 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(GPS)、接收器天線以及各種I/O埠等多種無人機子系統的一大顧慮。

當這些區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生的直接和潛在損壞風險。例如,充電埠適用於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。由於這種電路也可能經歷較高的能量瞬變(閃電、系統衝擊、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發生(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。

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二極體。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(描述於IEC 61000-4-2中),而幾乎不至於增加電路的電容。這可用於補強積體電路的晶片上保護,最適合用於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。

20170216 Littelfuse TA31P9 圖9:PULSE-GUARD ESD抑制器

TVS(瞬態電壓抑制)二極體是專為保護電子電路免於受到瞬變和過壓威脅(如EFT和ESD而設計的。TVS二極體通常著眼於其反應時間快(低鉗位電壓)、較低的電容與漏電電流而選用的矽雪崩元件。它們在單向(單極)或雙向(雙極)二極體電路結構中都能使用。選擇TVS二極體時要考慮的重要參數包括反向關斷電壓(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帶來任何訊號完整性的問題。例如,在該埠中低速執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(圖10)。此外,電路板設計人員將根據其選擇保持位置靈活性(分離式元件)還是減少元件數(陣列產品),決定使用分離式MLV或多線二極體。

圖10:Littelfuse SP3014系列TVS二極體陣列整合兩個低電容可控二極體通道以及一個齊納二極體,為可能遭遇破壞性ESD的電子裝置提供保護。PGB10603系列PulseGuard ESD抑制器還可為敏感電路提供ESD保護,適合著重於低電容的低壓高速應用,並可用於保護使用高速協定(如USB 2.0、IEEE1394、HDMI和DVI)的數據埠。

對於資料率極高的協定,必須使用幾乎無電容的抑制器,才能使系統在無損訊號品質的前提下收發資料,提供遠低於1.0pF的電容值,以及能在較高資料率下作業的聚合物ESD抑制器。

其他無人機子系統的保護

PTC元件經常用於萬用接頭馬達(用於穩定機載攝影機擷取影像的子系統組成部份)和飛行控制馬達上的過電流保護。熔絲和PTC元件還常常用於功率分配元件的過電流保護,如ESC、電力樞紐和電池監控裝置。

此外,TVS二極體也非常適用於保護在無人機與地面站之間通訊的Wi-Fi天線/通訊連接埠。