№2 / 2017 / статья 5

Защити свой дрон с помощью компонентов Littelfuse

Антон Стильве (КОМПЭЛ)

Авария в воздухе – самое неприятное, что может случиться с беспилотным летательным аппаратом. А самая распространенная причина такой аварии – сбой работы электронной схемы из-за неполадок с электропитанием. Предотвратить это помогут защитные компоненты производства Littelfuse. А наша статья расскажет, какие из них и в каких местах схемы электропитания следует применять.

Специалисты предсказывают увеличение количества дронов (рисунок 1) к 2020 году в мире с 2,5 до 7 миллионов. Вместе с тем увеличивается и количество аварий из-за неполадок, приводящих к потере управления этими технически сложными летающими аппаратами.

Рис. 1. Дрон-квадрокоптер

Рис. 1. Дрон-квадрокоптер

Многие инциденты можно предотвратить, используя защитные электронные компоненты. Рассмотрим общую схему строения дрона (рисунок 2).

Рис. 2. Общая структурная схема дрона

Рис. 2. Общая структурная схема дрона

Разберем защиту каждого блока по отдельности.

Защита аккумулятора и схемы зарядки

Наиболее часто в дронах используют литий-полимерные аккумуляторы по причине наиболее высокой удельной плотности заряда по сравнению с аккумуляторами других типов. Это позволяет уменьшить вес и объем батарей, обеспечивающих работу дрона. Но при неправильных режимах зарядки и/или перегрузках по току при разряде аккумулятор может вздуться или даже загореться.

Основными проблемами всех литиевых аккумуляторов, которые наиболее ярко выражены в их подклассе литий-полимерных аккумуляторов, являются превышение максимально допустимого уровня заряда и полного разряда аккумулятора – при уровне приблизительно ниже 1,5 В на аноде в емкости аккумулятора образуется газ. Когда достигается уровень разряда ниже 1 В, медь на токоприемнике растворяется, что приводит к внутреннему короткому замыканию в аккумуляторе. Поэтому защита от глубокого разряда аккумулятора просто необходима. Она обеспечивается специальной микросхемой. Перезарядвыше 4,6 В приводит к образованию газа в аккумуляторе и его нагреву. Помимо этого аккумуляторы не имеют внутренней защиты от перегрузки по току и перегрева, в них нет даже позистора, поэтому внешние компоненты защиты от перегрузок по току и от перегрева также необходимы.

Специально для этого была разработана серия терморазмыкателей MHP-TA (рисунок 3), которые защищают аккумулятор от обоих видов рисков.

Рис. 3. Внешний вид терморазмыкателей MHP-TA

Рис. 3. Внешний вид терморазмыкателей MHP-TA

Для защиты аккумуляторов только от перегрузки по току компания Littelfuse предлагает позисторы PolySwitch (рисунок 4), которые обладают очень низким сопротивлением и выпускаются как в форм-факторе с плоскими выводами, так и в корпусах для поверхностного монтажа.

Рис. 4. Внешний вид позисторов PolySwitch

Рис. 4. Внешний вид позисторов PolySwitch

Комбинированные защитные терморазмыкатели MHP-TA (рисунок 5) имеют низкие температуры размыкания и высокие рабочие токи, и при этом обладают компактными размерами. Последнее поколение MHP-TA имеет номинальное напряжение 9 В и более высокие рабочие токи, чем обычные терморазмыкатели. Небольшие линейные размеры и крайне малая высота позволяют устанавливать их на платы с очень высокой плотностью монтажа.

Рис. 5. Аккумулятор с управляющей микросхемой и терморазмыкателем

Рис. 5. Аккумулятор с управляющей микросхемой и терморазмыкателем

Для аккумуляторов других типов, например, Li-ion или NiMH, Littelfuse предлагает альтернативные решения по защите от перегрузок по току – серию PolySwitch (рисунок 6). Они не только отлично работают с емкими аккумуляторными батареями (рисунок 7), но и отвечают стандартам UL, CSA и TUV. Их малое сопротивление способствует увеличению времени работы дрона от одной зарядки аккумулятора.

Рис. 6. Позисторы Littelfuse с пониженным сопротивлением

Рис. 6. Позисторы Littelfuse с пониженным сопротивлением

Рис. 7. Типовая батарея из литиевых элементов

Рис. 7. Типовая батарея из литиевых элементов

Компактные размеры и низкий профиль компонентов отлично подходят для защиты компактных Li- и Ni-аккумуляторов. Очень малое сопротивление обуславливает невысокое падение напряжения на позисторе и уменьшает потери энергии на джоулево тепло. SMD-корпус позволяет сделать миниатюрные низкопрофильные платы управления зарядом батареи, которые почти не увеличат размеры всего литиевого элемента питания.

В качестве альтернативы позисторам для общей защиты цепи питания рекомендуется серия миниатюрных плавких предохранителей 449 NANO2 SLO-BLO (рисунок 8). Медленный тип срабатывания нужен для предотвращения ложных срабатываний при короткоимпульсных перегрузках по току.

Рис. 8. Серия миниатюрных плавких предохрани- телей 449 NANO2 SLO-BLO

Рис. 8. Серия миниатюрных плавких предохранителей 449 NANO2 SLO-BLO

Защита GPS, антенного входа приемника и портов ввода/вывода

Как показано на общей схеме дрона (рисунок 2), электростатические разряды могут существенно сказаться на работе его подсистем, включая GPS и антенны приемника, а также различных портов ввода/вывода. Каждая точка доступа умножает риски как мгновенного, так и отложенного во времени отказа, который может случиться из-за высоковольтного разряда статического электричества. Компания Littelfuse предлагает разработчикам широкий выбор низкоемкостных TVS-сборок и полимерных подавителей электростатических разрядов. Новая серия XTreme-Guard (рисунок 9) отличается от предшественников высочайшей скоростью срабатывания и минимально достижимой емкостью 0,04…0,09 пФ, которая не вносит изменений в форму высокочастотных сигналов. Помимо этого, их напряжение фиксации значительно ниже, чем у предыдущей серии полимерных подавителей Pulse-Guard, и составляет всего 40 В.

Рис. 9. Полимерные подавители нового поколе- ния XTreme Guard от Littelfuse

Рис. 9. Полимерные подавители нового поколения XTreme Guard от Littelfuse

Для защиты высокочастотных цепей компания Littelfuse также выпускает большое количество дискретных TVS-диодов и сборок. Например, SP0201B-ELC-01UTG обладает емкостью всего 0,15 пФ, имеет очень малое напряжение фиксации Vcl = 14 В и выдерживает электростатические разряды согласно стандарту IEC 610000-4-2 ±22 кВ. При этом ток утечки не превышает 25 нА.

Разъем для зарядки аккумулятора

Разъем рассчитан на низкое входное напряжение, поэтому для его защиты требуется мощный подавитель скачков напряжения. В цепи питания могут возникать более мощные, чем электростатические разряды, скачки напряжения, вызванные молниями, кратковременными системными перегрузками и переходными процессами. Littelfuse предлагает широкий ассортимент варисторов для поверхностного монтажа (таблица 1). Эти защитные компоненты также существуют в версиях с автомобильной сертификацией AEC-Q200.

Таблица 1. Варисторы для поверхностного монтажа производства компании Littelfuse

Наименование Технология Диапазон рабочих напряжений, В Диапазон допустимых пиковых токов, А Диапазон допустимых пиковых энергий, Дж Диапазон рабочих температур, °С
AC DC
MHS MLV 9…42 -55…125
MLE 18
0201MLA 4 5,5 4
MLA 2,5…107 3,5…120 4,0…500 0,02…2,5
MLA Automotive 2,5…40 3,5…48 500 0,1…2,5
AUML 18 1,5…25
MLN 18 5,5…18 30 0,05…0,1
CH MOV 14…275 18…369 100…250 1,0…8,0
SM7 115…510 369…675 1200 23…40 -55…85
SM20 20…320 26 6500 165

Защита высокоскоростных интерфейсов от грозы

Для защиты высокоскоростных интерфейсов от грозы поможет диодная сборка SLVU2.8-4 (рисунок 10). Одна сборка обеспечивает защиту сразу четырех линий данных, а благодаря добавлению в топологию дополнительных диодов, удалось понизить емкость до 2 пФ на линию и обеспечить высочайшую стойкость к импульсам высоких энергий в соответствии со стандартами IEC 610000-4-4 и 610000-4-5. Максимальный импульсный ток этой сборки достигает 40 А. Корпус сборки – миниатюрный SOIC-8. Это позволяет установить ее даже на плате с очень высокой плотностью компонентов, что немаловажно для разработчиков авионики и дронов. Важным фактором является и крайне низкий ток утечки – до 0,1 мкА.

Рис. 10. Топология сборки SLVU2.8-4BTG

Рис. 10. Топология сборки SLVU2.8-4BTG

Защита шин LIN и CAN

Шина CAN позволяет с высокой скоростью обмениваться информацией различным модулям дрона, таким как приемник и контроллер полета. TVS-сборка SM24CANB была специально разработана для защиты этого интерфейса и обладает выдающимися характеристиками [1].

Сборка состоит из двух двунаправленных TVS-диодов, размещенных в миниатюрном корпусе SOT23-3 (рисунок 11, таблица 2). Несмотря на размер, пиковая мощность этой сборки составляет 500 Вт для импульса с длительностью 8/20 мкс, а ток утечки не превышает 1 мкА.

Рис. 11. Топология сборки и внешний вид SM24CANB в корпусе SOT023-6

Рис. 11. Топология сборки и внешний вид SM24CANB в корпусе SOT023-6

Таблица 2. TVS-сборка SM24CANB

Наименование Uраб, В Число
каналов
P, Вт C, пФ Uогр при 1 А и 8/20 мкс, В Iпик при 8/20 мкс, А Рейтинг (Contact Discharge, IEC61000-4-2), кВ Корпус
SM24CANB-02HTG 24 2 500 30 34 10 ±30 SOT23-3

Для эффективной защиты шины LIN у компании Littelfuse имеются сборки SPHV15-01ETG-C и SPHV24-01ETG-C (рисунок 12) в миниатюрном корпусе SOD882, который соответствует паттернам для корпуса 0402.

Рис. 12. Сборки SPHV15-01ET G-C и SPHV24- 01ET G-C для эффективной защиты шины LIN

Рис. 12. Сборки SPHV15-01ET G-C и SPHV24-01ET G-C для эффективной защиты шины LIN

SP4023-01FTG-C (рисунок 13, таблица 3) – альтернативный более мощный вариант SPHV15-01ETG-C. Он имеет очень малое напряжение ограничения – всего 23 В при рабочем напряжении 15 В. Корпус SOD323 совместим с паттерном 0805. Несмотря на размер, максимальная импульсная мощность достигает 450 Вт.

Рис. 13. Одноканальная сборка SP4023-01FT G-C

Рис. 13. Одноканальная сборка SP4023-01FT G-C

Таблица 3. Характеристики сборки SP4023-01FTG-C

Наименование Uраб, В Число
каналов
P, Вт C, пФ Uогр при 1А
и 8/20 мкс, В
Iпик при 8/20 мкс, А Рейтинг (Contact Discharge, IEC61000-4-2), кВ Корпус
SP4023-01FTG-C 15  1 450 1,3 23 12 ±30 SOD323

Заключение

Каждый год изготовители переходят на новые, все более высокотехнологичные процессы, растут производительность контроллеров, объемы памяти и ширина шин данных. Вместе с тем электроника становится более чувствительной к различным угрозам: электростатическим разрядам, скачкам напряжения, индуцированным электромагнитными импульсами различной природы. Нагрузка на цепи питания также значительно возрастает с увеличением удельной мощности. Тем не менее, сделать надежный и безопасный дрон не так уж сложно: параллельно развивается и направление защитных компонентов. Появляются миниатюрные предохранители в корпусах для SMT, способные работать с большими токами. Новые TVS-сборки в миниатюрных корпусах обладают не только мощностями, доступными ранее только дискретным TVS-диодам в больших корпусах, но и сверхмалыми емкостями, позволяющими им защищать высокочастотные шины и СВЧ радиоинтерфейсы.

Литература

  1. http://www.littelfuse.com.

LITTELFUSE_NE_02_17

О компании Littelfuse

Компания Littelfuse является ведущим мировым производителем компонентов и устройств для защиты электрических и электронных цепей любого рода. Поставляемые компанией компоненты и системы, во многих случаях являются жизненно важными для устройств в практически всех отраслях и видах продукции: от бытовой электроники и автомобилей до электроэнергетики. Littelfuse предлагает наиболее широкий и полный спектр компонентов и систем защиты цепей на рынке электронных компонентов. Компания расширяет и н ...читать далее

Наличие на складах
Наименование Наличие Цена
MHP-TA15-9-77 (LTL) 17 103 1.7390 $ 101.70 руб. от 500 шт
SP0201B-ELC-01UTG (LTL) 0
SM712-02HTG (LTL) 238 523 0.1425 $ 8.33 руб. от 3 000 шт
SM24CANB-02HTG (LTL) 44 008 0.1055 $ 6.17 руб. от 4 738 шт
SPHV15-01ETG-C (LTL) 13 580 0.1415 $ 8.27 руб. от 6 000 шт
SPHV24-01ETG-C (LTL) 0
SP4023-01FTG-C (LTL) 0