一架正在美國維吉尼亞州賽車公園拍攝潘普隆納(Pamplona)式「奔?！沟臒o人機(jī)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(jī)從空中跌落，勉強(qiáng)避開奧地利選手MarcelHirscher后撞上他身后的斜坡；一架自由無人機(jī)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DavidPerel；在倫敦希斯羅機(jī)場，一架空中巴士客機(jī)A320起飛時(shí)險(xiǎn)些撞上一架無人機(jī)；西雅圖市中心海濱附近，一架無人機(jī)撞進(jìn)禁飛范圍內(nèi)的西雅圖摩天輪據(jù)說這是美國西岸最大的摩天輪，高達(dá)175英遲其后墜入附近碼頭，并驚動了警方關(guān)切……

飛行員失去控制(pilotlosingcontrol)無疑是眾多無人機(jī)事故和墜機(jī)背后的罪魁禍?zhǔn)?。但「失去控制」的原因是什麼？畢竟，即使小型休閒無人機(jī)也要依靠一堆子系統(tǒng)(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(gè)元件，也可能讓這個(gè)無人飛行載具(UAV)迅速變成UFO。

過去幾年來，消費(fèi)級、專業(yè)級和商用級無人機(jī)有時(shí)也稱無人飛機(jī)系統(tǒng)(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(jù)美國聯(lián)邦特種總署(FAA)預(yù)測，無人機(jī)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(jī)的銷售對象是業(yè)馀愛好者，專業(yè)和商業(yè)用無人機(jī)約佔(zhàn)270萬架。市場上可以買到各種價(jià)位的非特種無人機(jī)，包括從價(jià)格不到100美元的玩具到用于空拍、公共安全服務(wù)、農(nóng)業(yè)和野生動物管理等要價(jià)數(shù)千美元的複雜商用無人機(jī)(圖1)。

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圖1：市場上可以買到各種價(jià)位以及涵蓋不同功能的無人機(jī)，但其基本的電路保護(hù)要求都是相同的

不管你的無人機(jī)用途有多麼特別、價(jià)格有多麼高，它都可能出現(xiàn)類似的故障和失效情況。這些情況可能引發(fā)各種問題，包括從無人機(jī)無法啟動或起飛的小問題到災(zāi)難性的事故，如無人機(jī)墜毀，從而導(dǎo)致人員傷害或財(cái)產(chǎn)損失。

充電時(shí)發(fā)生電池著火，或由于某種電氣問題引發(fā)無人機(jī)飛行途中故障等類似案例頻傳，并突顯出可靠的電路保護(hù)元件關(guān)于無人機(jī)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。幸運(yùn)的是，我們已有越來越成熟的技術(shù)和工具可以因應(yīng)上述電池安全系統(tǒng)的被動保護(hù)、靜電放電(ESD)保護(hù)，以及馬達(dá)卡住保護(hù)等要求。

無人機(jī)子系統(tǒng)和電路保護(hù)

圖2表示一種通用的無人機(jī)設(shè)計(jì)，其中強(qiáng)調(diào)無人機(jī)製造商在為其產(chǎn)品的各種電氣子系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路保護(hù)時(shí)必須考慮的問題，以及針對每一種應(yīng)用討論最常見的電路保護(hù)元件。

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圖2：無人機(jī)子系統(tǒng)要電路保護(hù)

電池和充電電路的保護(hù)

顯然地，無人機(jī)要機(jī)載電池為其供應(yīng)電力。相較于其它可充電電池，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(shù)量即可達(dá)到系統(tǒng)供電要求，因而成為無人機(jī)最常用的電池類型。這種電池的自放電率也低于其它類型電池，長時(shí)間放置未使用的能量損耗也很小。儘管如此，假如充電條件或使用方法不當(dāng)，仍會對其性能造成一定的損壞，甚至導(dǎo)致更嚴(yán)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(fā)生過放電期間，假如電池電壓降低到1.5V左右，陽極便會出現(xiàn)氣體。而當(dāng)電壓持續(xù)下降到低于1V，則會使電流收集器發(fā)生銅溶解，從而造成電池內(nèi)部短路的嚴(yán)重后果。因此，實(shí)際應(yīng)用中都要由電池保護(hù)IC實(shí)現(xiàn)欠壓保護(hù)。當(dāng)電池過充導(dǎo)致電壓達(dá)到4.6V以上時(shí)，會在陰極出現(xiàn)氣體和發(fā)熱。

雖然圓柱形鋰離子電池具有內(nèi)部過壓保護(hù)，能夠啟動電流遮斷裝置(CID)和內(nèi)部正溫度系數(shù)(PTC；加熱時(shí)新增電阻)裝置；但LiPo電池不具備CID和PTC，因此新增外部過電壓、過電流與過溫保護(hù)就顯得格外重要。

目前可供無人機(jī)電池實(shí)現(xiàn)過電流和過溫保護(hù)的保護(hù)元件種類繁多，包括具有精確過溫保護(hù)的雙金屬片混合PPTC元件(MHP-TA)(圖3)、PolySwitchPPTC元件、低電阻SMDPPTC元件和表面裝貼熔絲。

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圖3：熱敏金屬混合PPTCMHP-TA元件

MHP-TA元件集合了低關(guān)斷溫度、高保持電流和小尺寸的優(yōu)點(diǎn)，非常適合LiPo電池的保護(hù)。最新的MHP-TA元件可供應(yīng)9VDC額定電壓，電流能力也高于傳統(tǒng)的熱熔斷(TCO)元件，足以因應(yīng)當(dāng)今大容量聚合物鋰離子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(hù)、小尺寸封裝與纖薄的優(yōu)點(diǎn)，特別適合超薄電池組設(shè)計(jì)的電路保護(hù)。

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圖4：MHP-TALiPo電池組電路圖

關(guān)于其它化學(xué)反應(yīng)電池，如鋰離子(Li-ion)、鎳氫金屬電池(NiMH)或鎳鎘(NiCd)、PolySwitchPPTC可重置元件(圖5)能供應(yīng)理想的解決方法。它們不僅相容于高容量的電子設(shè)備，其UL、CSA和T?V認(rèn)證使得設(shè)計(jì)者能夠更輕鬆地滿足安全規(guī)章要求。其低電阻特性有助于提高電池作業(yè)時(shí)間，增強(qiáng)了關(guān)于熱事件的過溫保護(hù)(圖6)。

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圖5：PolySwitchPPTC(聚合物正溫度系數(shù))自恢復(fù)元件

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圖6：典型的可充電鋰離子電池組電路圖

小巧的POLY-FUSELoRho表面裝貼可重置PPTC元件(圖7)非常適合保護(hù)鋰離子和聚合物鋰離子電池組的電路模組，以超低內(nèi)部電阻、低壓降以及功率耗散，供應(yīng)快速過電流和過溫度保護(hù)。透過自動重置功能，這些PPTC元件可為過電流保護(hù)供應(yīng)取代一次性熔絲的低維護(hù)替代方法。由于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(hù)模組中，從而簡化了組裝過程。

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圖7：POLY-FUSELoRho表面裝貼可重置PPTC

雖然熔絲和PTC都是過電流保護(hù)元件，但PTC可以自動重置；而傳統(tǒng)熔絲必須在跳閘后更換。熔絲將完全阻斷電流(關(guān)鍵應(yīng)用中可能必須這樣做)，但在大多數(shù)類似的過電流事件后，PTC仍然允許設(shè)備作業(yè)(極端情況除外)。

表面安裝熔絲適合保護(hù)電池充電電路的應(yīng)用，例如449系列NANO2SLO-BLO微型熔絲(圖8)。其獨(dú)特的時(shí)間延遲功能有助于減少誤動作。

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圖8：449系列NANO2SLO-BLO微型熔絲

GPS、接收器天線和I/O埠的保護(hù)

如圖2所示，靜電放電(ESD)是全球定位系統(tǒng)(GPS)、接收器天線以及各種I/O埠等多種無人機(jī)子系統(tǒng)的一大顧慮。

當(dāng)這些區(qū)域形成高電位電流的電氣路徑時(shí)，每個(gè)接取點(diǎn)都擴(kuò)增了可能發(fā)生的直接和潛在損壞風(fēng)險(xiǎn)。例如，充電埠適用于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。由于這種電路也可能經(jīng)歷較高的能量瞬變(閃電、系統(tǒng)衝擊、EFT)，建議使用多層可變電阻，因?yàn)樗艹紼SD保護(hù)。另外，假如過電流事件持續(xù)發(fā)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(hù)系統(tǒng)。

電路設(shè)計(jì)人員可為天線使用各種ESD保護(hù)方法，包括ESD抑制器和TVS二極管。PULSE-GUARDESD抑制器(圖9)使用聚合物複合材料抑制快速上升的ESD瞬變(描述于IEC61000-4-2中)，而幾乎不至于新增電路的電容。這可用于補(bǔ)強(qiáng)積體電路的芯片上保護(hù)，最適合用于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(yīng)用。

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圖9：PULSE-GUARDESD抑制器

TVS(瞬態(tài)電壓抑制)二極體是專為保護(hù)電子電路免于受到瞬變和過壓威脅(如EFT和ESD而設(shè)計(jì)的。TVS二極體通常著眼于其反應(yīng)時(shí)間快(低鉗位電壓)、較低的電容與漏電電流而選用的硅雪崩元件。它們在單向(單極)或雙向(雙極)二極體電路結(jié)構(gòu)中都能使用。選擇TVS二極體時(shí)要考慮的重要參數(shù)包括反向關(guān)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(hù)

針對飛行控制馬達(dá)，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(hù)該訊號埠的重要考慮因素是訊號的資料率。隨著資料率新增，考慮所選抑制器的電容也至關(guān)重要，必須確保不會對系統(tǒng)帶來任何訊號完整性的問題。例如，在該埠中低速執(zhí)行的電路應(yīng)該使用較高電容的多層可變電阻或TVS二極體陣列保護(hù)。此外，電路板設(shè)計(jì)人員將根據(jù)其選擇保持位置靈活性(分離式元件)還是減少元件數(shù)(陣列產(chǎn)品)，決定使用分離式MLV或多線二極體。

PGB10603系列PulseGuardESD抑制器還可為敏感電路供應(yīng)ESD保護(hù)，適合著重于低電容的低壓高速應(yīng)用，并可用于保護(hù)使用高速協(xié)定(如USB2.0、IEEE1394、HDMI和DVI)的數(shù)據(jù)埠。

關(guān)于資料率極高的協(xié)定，必須使用幾乎無電容的抑制器，才能使系統(tǒng)在無損訊號品質(zhì)的前提下收發(fā)資料，供應(yīng)遠(yuǎn)低于1.0pF的電容值，以及能在較高資料率下作業(yè)的聚合物ESD抑制器。

其他無人機(jī)子系統(tǒng)的保護(hù)

PTC元件經(jīng)常用于萬用接頭馬達(dá)(用于穩(wěn)定機(jī)載攝影機(jī)擷取影像的子系統(tǒng)組成部份)和飛行控制馬達(dá)上的過電流保護(hù)。熔絲和PTC元件還常常用于功率分配元件的過電流保護(hù)，如ESC、電力樞紐和電池監(jiān)控裝置。

此外，TVS二極體也非常適用于保護(hù)在無人機(jī)與地面站之間通訊的Wi-Fi天線/通訊連接埠。