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通过 ESD 防护预防无人机故障

电路保护

Anindita Bhattacharya

Anindita Bhattacharya

Principal Solutions Architect

通过 ESD 防护预防无人机故障2020 年 9 月,在广东珠海,一场壮观的灯光秀火爆全网。其中采用了 3051 架无人机 (UAV),打破了史上最多无人机同时升空的世界纪录。除了上演迷人的灯光秀,无人机还越来越多地出现在许多实用的应用中,如工业制造检查、农作物检查、建筑工地检查、搜救行动、房地产摄影、森林火灾管理。无人机能在各种领域为人类提供宝贵的服务。

电路保护

操作无人机

操作无人机与用遥控器玩电子游戏没有太大区别。如果您的无人机有相机并想进行航拍,则可以通过无人机的遥控器发出相应的命令。无人机的相机将根据您的命令拍照。它传输图片或视频,也可以根据指示录像。完成分配的任务后,无人机将安全返回指定着陆点。根据无人机的类型和功能,还可以通过手机应用程序或可对接无人机的计算机应用程序来发出指令。听起来很简单吧?虽然操作很简单,但实现这一切的技术却非常先进。此外,除了要延长飞行时间和电池寿命,还需要花心思尽量减少无人机的尺寸和重量。

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无人机的架构

Most drones are equipped with four motors, which is why they are often called quadcopters. An electronic speed controller (ESC) is used to control the action of each motor. The brain or main part of a drone is the flight controller unit. In commercial or high-end drones, the flight controller is equipped with a GPS for autopilot monitoring. The remote-control device consists of a radio transmitter which interfaces with the drone’s radio receiver. A flight controller generally receives the commands from the radio receiver, interacts with

 proximity sensors to avoid obstacles and interfaces with the in-built GPS for geo positioning. The flight controller sends signal to the ESCs which in turn drives the individual motors for coordinating the drone’s movement. To measure the position of the drone with respect to the ground level an inertial measurement unit (IMU) with accelerometers and gyroscopes is used by the flight controller. Figure 1 shows the architecture of a drone along with its remote control.

几乎所有的无人机都配备了相机。为了在无人机飞行时拍摄无抖动的照片和视频,它使用了一种称为云台的装置。即使在无人机运动时,云台也能确保相机保持在原位。一些无人机配有带显示屏的遥控器。还有一些无人机支持配对和安装智能手机或平板电脑,以控制和监测无人机的飞行和动作。无人机通常使用锂聚合物电池,因为它们的能量密度更高、更轻和外形尺寸更小。大量无人机及其遥控电池通过 USB Type-C 充电端口充电。电源集线器或配电板从电池中获取电力并将其发送到 ESC 为电机供电。电源集线器还为飞行控制器单元、云台控制器、相机、传感器和其他需要电源的组件供电。

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图 1.无人机及其遥控器的架构 © Semtech Corporation

无人机端口和接口的 ESD 防护

无人机及其遥控器具有多个端口和接口,例如用于为电池充电的 USB Type-C、用于保存照片/视频的存储卡、用于通信的天线、用于自动驾驶系统的 GPS 以及用于检测障碍物的传感器。由于有这么多通信和数据端口,无人机特别容易因为静电放电 (ESD) 事件的受损。ESD 是指静电荷从一个带有较高电荷的物体快速流向带有较低电荷的物体。因此,当一个高电荷物体与一个低电荷物体接触时,电荷将从高电荷物体流向低电荷物体。这种电荷(电子)转移可能导致高达数千伏的 ESD 事件。这可能会损坏无人机复杂的内部电路,造成故障,进而导致严重的人身伤害或财产损失。因此,ESD 防护对无人机至关重要。

保护 USB Type-C 接口

Now-a-days, a large number of drones and remote controls incorporate USB-Type C interfaces for charging. A USB Type-C interface can deliver up to 100W of power, 5 A of current and 20 V of voltage utilizing USB power delivery (USB PD). With the USB PD feature, devices can be charged at a much faster rate. This faster charging feature of USB Type-C has made it very popular for charging the drones. If USB PD is not required, the VBUS can support 5V at 3A, delivering 15W of power.

Figure 2 details the USB Type C pin configuration. As highlighted in the figure, protection from ESD is required for the VBUS and the CC pins. There are two CC pins, one is used for orientation detection and the other one for initiating power delivery. The VBUS pin is next to the CC pin. If there is a voltage surge in the VBUS pin, which can reach up to 20V, the CC pins will also be exposed to this entire voltage in case of a short circuit condition. Protecting the VBUS pin requires a transient voltage suppressor (TVS) diode with more than 20V of operating voltage, a fast response time and low clamp voltage. In addition, degradation of device performance is not desirable while protecting the VBUS pin. Satisfying all these criteria, Semtech’s µClamp®2271P is perfectly suited to safeguard the VBUS pin. The µClamp2271P has a working voltage of 22V with peak pulse current of 25A.

需要用击穿电压至少为 20V 的 TVS 二极管来保护 CC 引脚。Semtech 的 µClamp2411ZA 能够承受 ±20kV(空气)和 ±17kV(接触)电压范围的高 ESD,最适合保护 CC 引脚。µClamp2411ZA 是一款具有 1Ω 低动态电阻的双向 TVS 二极管,可保持 24V 的工作电压。它采用超小型 0201 封装。

Apart from the VBUS and CC pins, for ESD protection of all the other pins of a USB Type C interface, please read my blog on USB Type-C protection.

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图 2. USB PD 接口的 ESD 防护 © Semtech Corporation

保护无人机天线

无人机通过无线电频率与其遥控器进行通信,而无线电频率总是需要天线来发送和接收无线电信号。无人机通常使用 900MHz 至 2.4GHz 的传输信号来进行无线电和 GPS 通信。这就需要具有超低结电容的双向 ESD 防护器件来保持天线在该高频范围内的信号完整性。这些信号的峰间电压也应保持稳定。Semtech 的 RClamp®0561Z 根据 IEC 61000-4-2 (ESD) 规范在 ±15kV(空气)和 ±12kV(接触)下提供瞬变保护。它采用 0.62x0.32x0.30 毫米的微型封装。RClamp0561Z 的典型结电容也极低,只有 0.12pF。图 3 所示为典型的天线保护电路。

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图 3. 无人机天线的 ESD 防护 © Semtech Corporation

RClamp0561Z 的超低电容对传输线阻抗的影响很小,插入损耗特性非常低,10GHz 频率下的损耗为 0.8dB。因此它成为了无人机无线电天线的一流 ESD 防护器件。对于包括 GPS 在内的其他规范和应用领域,Semtech 提供广泛的 ESD 防护二极管,如表 1 所示。

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表 1:用于保护无人机天线的各种适用 Semtech 产品

保护存储卡

无人机主要用于拍照和录制视频。因此,大多数无人机都带有一个或多个存储卡插槽。由于存储卡插槽中有裸露的引脚,存储卡极易受到 ESD 电荷转移的影响。Semtech 的 EClamp®2410P 结合了 EMI 滤波器和线路终端器件,并集成有 TVS 二极管,可保护存储卡免受 ESD 事件的影响。下面的图 4 概述了存储卡的典型保护解决方案。EClamp2410P 由 SD/µSD 接口所需的串联电阻和上拉电阻器组成。每条线路还包括用于 ESD 防护的 TVS 二极管。如图 4 所示,每条数据线路的典型电容为 12pF。其中包括一个额外的 TVS 二极管连接,用于保护电压总线。根据 IEC 61000-4-2 指南,TVS 二极管可有效抑制 ±15kV(空气)和 ±8kV(接触)的 ESD 电压。EClamp2410P 采用 16 引脚 DFN(4.0 x 1.6 x 0.58 毫米)封装。该器件的流通式封装设计简化了 PCB 布局。

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图 4. 无人机存储卡的 ESD 防护 © Semtech Corporation

无人机的普及度和使用量持续上升。充分保护无人机免受所有 ESD 威胁,这一点至关重要。Semtech 广泛的 TVS 产品系列值得信赖,为世界上许多最受欢迎的无人机品牌提供保护。其高效的 TVS 产品可保护所有类型的无人机端口和接口,包括 USB PD、天线和存储卡接口。以 Semtech TVS 产品保护无人机的端口和接口,便可以无问题、无故障地使用无人机,同时提高它们的可靠性和使用寿命。

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