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Preventing Drone Failure with ESD Protection

2021 年 1 月 7 日 / 发布者: Anindita Bhattacharya

Anindita Bhattacharya

Semtech_Blog_TVS_Drones2020 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。

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。

无人机的架构

大多数无人机都配备了四个电机,因此它们通常被称为四轴飞行器。电子速度控制器 (ESC) 用于控制每个电机。无人机的大脑是飞行控制器单元。在商用或高端无人机中,飞行控制器配备了 GPS 以监测自动驾驶。遥控装置包括一个无线电发射器,它与无人机的无线电接收器连接。飞行控制器通常通过无线电接收器接收命令,与接近传感器交互以避开障碍物,并连接内置 GPS 以进行地理定位。飞行控制器向 ESC 发送信号,后者驱动各个电机以协调无人机的运动。为测量无人机相对于地面的位置,飞行控制器使用带有加速度计和陀螺仪的惯性测量单元 (IMU)。图 1 显示了无人机及其遥控器的架构。

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

现在,大量的无人机和遥控器都采用 USB-Type C 接口进行充电。USB Type-C 接口可以利用 USB 电力传输 (USB PD) 技术提供高达 100W 的功率、5A 的电流和 20V 的电压。借助 USB PD 功能,就能以更快的速度为设备充电。由于 USB Type-C 的这种快速充电功能,它被广泛用于为无人机充电。如果不需要 USB PD,VBus 可以在 3A 时支持 5V,提供 15W 的功率。

图 2 详细说明了 USB Type C 引脚配置。如图中突出显示,VBus 和 CC 引脚需要 ESD 防护。有两个 CC 引脚,一个用于方向检测,另一个用于启动电力传输。Vbus 引脚位于 CC 引脚旁边。如果 VBus 引脚出现电压浪涌(最高可达 20V),那么 CC 引脚也将在短路情况下承受整个电压。要保护 VBus 引脚,就需要一个具有 20V 以上工作电压、快速响应时间和低钳位电压的瞬态电压抑制 (TVS) 二极管。此外,不能因保护 VBus 引脚而使器件的性能下降。Semtech 的 µClamp®2271P 满足所有这些条件,非常适合保护 VBus 引脚。µClamp2271P 的工作电压为 22V,峰值脉冲电流为 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。

除了 VBus 和 CC 引脚,对于 USB Type C 接口所有其他引脚的 ESD 防护,请阅读我关于 USB Type-C 保护的博客

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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

The popularity and the use of drones are on the rise. It is crucial that the drones are adequately protected from all ESD threats. Semtech’s wide range of trusted TVS products shield many of the world’s most popular drone brands. Its highly efficient TVS products protect all types of drone ports and interfaces including USB PD, antennas and memory card interface. You can enjoy problem free, fault free use of drones by protecting its ports and interfaces with Semtech TVS products, while enhancing their dependability and lifetime.

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主题:电路保护

Anindita Bhattacharya

作者 Anindita Bhattacharya

Anindita Bhattacharya is a Solutions Architect of System Protection at Semtech’s Protection Products Group. She is also an adjunct faculty at San Jose State University.

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