近年來，市場上的無人機數量迅速成長。美國聯邦航空管理局預測，無論是愛好者還是專業/商用無人機使用者，其感興趣的產品將繼續強勁成長。它們以各種價位出售，從相對便宜的消費型到用於航空成像和資料收集的功能更強的無人機，包括房地產攝影、工業和公用事業檢驗以及農業應用，如農作物檢查。美國州政府和地方政府也在利用無人駕駛飛機為緊急服務收集資訊，包括搜救行動。
無論使用何種無人機或使用多少無人機，所有無人機都容易受到許多相同故障和故障條件的影響。這些情況可能導致的問題，從僅僅是煩人的無法啟動或飛行的狀況，到災難性的導致重大財產損失或人身傷害的墜機意外。經常遇到由於一些電氣問題而導致電池在充電期間著火或飛行失敗，這說明了為什麼強大的電氣保護是必不可少的。幸運的是，越來越多的工具和技術可用於實施電池無源保護系統、靜電放電(ESD)保護和電機堵轉保護。
圖1展示了一種通用的無人機設計，突顯了無人機製造商在為其產品的各種電子子系統和每種應用常見的電路保護元件設計時必須考慮的一些領域。
圖1 需要電路保護的無人機子系統
保護電池/充電電路
顯然，無人機需要機載電池來為其操作提供動力。鋰聚合物(LiPo)電池是無人駕駛飛機最常用的電池類型之一，因為具有高能量密度(與尺寸和重量相關)的優勢，每個電池的電壓更高，因此可以用比其他可充電電池更少的電池數量為無人駕駛飛機的機載系統供電。鋰聚合物的放電速度也比其他類型的慢，因此在不使用時能保持更長的充電時間。但是，如果沒有正確充電或使用，就不能長時間提供最佳性能，甚至可能開始冒煙和起火。
過放電和過充電是兩種外部產生的事件，會導致鋰離子電池出現問題。在過放電過程中，如果電池電壓下降到大約1.5V以下，陽極會產生氣體。當電壓降到1V以下時，集電器中的銅溶解，導致電池內部短路。因此，須由電池保護IC提供欠壓保護。當電池電壓達到約4.6V時，過度充電則會在陰極產生氣體和熱量積聚。儘管圓柱形電池具有內部壓力保護、啟動的電流中斷元件(CIDS)和內部正溫度係數可回復式保險絲(PTC)(加熱時電阻增加)，但LiPo電池沒有內部CID和PTC。外部過壓，過氣和過溫保護對鋰聚合物電池尤其重要。
有多種電路保護選項可用於說明防護無人機電池免受過電流和過熱條件的影響，包括熱啟動的金屬混合PPTC(MHP-TA)元件，PolySwitch高分子聚合物PPTC元件，低阻抗SMD PPTC元件和表面黏著式保險絲。MHP-TA元件結合了低熱阻效應，高保持電流額定值和表面黏著尺寸的優點，這對於保護LiPo電池非常有用。最新的MHP-TA元件提供9V DC額定值和比典型電池熱熔斷器(TCO)更高的額定電流，能夠處理高容量LiPo電池中常見的電壓和電池充電速率。許多產品提供可重定且精確的過熱保護，其緊湊的外形和薄的外形尺寸簡化了超薄電池組設計中的電路保護。
對於其它電池化學品，如鋰離子(Li-Ion)，鎳金屬氫化物(NiMH)或鎳鎘(NiCd)，PolySwitch PPTC可復位元件可提供更好的解決方案。它們不僅與大容量電子元件相容，而且其UL、CSA和TÜV機構的認可使設計人員更容易滿足法規要求。其低電阻有助於延長電池工作時間，並可增強對熱事件的過熱保護。
小尺寸、薄型的LoRho表面黏著式可回復PPTC非常適用於鋰離子和鋰離子電池組的保護電路模組，以超低內阻、低電壓降和功耗提供快速過流和過熱保護。透過自動復位為一次性保險絲提供低維護替代，以實現過流保護。因為其是為了表面安裝印刷電路板上而進行封裝的，所以可以安裝在電路板上的電子保護模組中，從而簡化了裝配過程。
雖然保險絲和PTC都是過電流保護元件，但PTC可以自動復位，傳統保險絲保護後須要更換。保險絲將完全停止電流的流動，但在大多數類似的過電流事件之後，PTC將繼續使設備工作，除非在極端情況下造成零件的永久性破壞。
超小型保險絲這類的表面黏著保險絲廣泛用於電池充電電路保護應用中，其延時功能有助於減少有害誤斷的發生，這種浪湧電流將導致快速動作的保險絲斷開。
無人機導入USB-C充電埠
用於為無人機和無人機控制器充電的電纜也會出現電氣故障。在任何充電配置中，正在充電的設備、電纜和充電器必須一起工作。越來越多的無人機和控制器現在採用USB Type-C(USB-C)充電埠。USB-C電纜具有一個或多個對稱(因此可逆)24針連接器。USB-C充電器的一端是一個AC插頭，另一端是有USB-C連接器的電纜(用於插入要充電的設備)或可以插入USB-C電纜的USB-C輸出埠。
USB-C電纜容易受到兩種不同來源的損壞。第一個問題是這些電纜在使用具有非常緊密的針對針間距的連接器時必須承載的高功率水準，這增加了熱事件的故障風險。第二個因素是連接器易受連接器引腳變形或灰塵、金屬顆粒或其他碎屑的污染的影響。這會造成不受控制的過熱風險，可能會造成從電源線到接地的阻性故障。這些阻性故障會導致危險的溫升，雖然電流增加不大，但USB-C連接器中的阻性故障會損壞電纜和正在充電的設備。
防止這些破壞性阻性故障的最新方法是在USB-C插頭的通訊通道(CC)中放置一個保護元件，而不是像過去通常那樣放在VBUS線路上。市面上推出的表面黏著型PolySwitch setP數位溫度指示器，即是為了保護USB-C電纜免受這些過熱條件的影響。溫度指示器檢測到溫度升高，然後「警告」系統關閉電源。
保護GPS/接收器天線/端口
如圖1所示，ESD是多個無人機子系統的一個問題，包括GPS和接收器天線以及各種I/O埠。當這些區域形成高電位電流的電氣路徑時，每個接入點都會增加直接和潛在損害的風險。例如，電源埠是低電壓輸入，用於為電池充電。作為真正的直流電路，推薦使用高電容值抑制器。由於該電路也可能遇到更高的能量瞬變，建議使用多層壓敏電阻，因為其具有超出ESD保護的能力。此外，若發生持續的過電流事件，可使用保險絲來中斷過電流狀況。
電路設計人員可為天線提供各種ESD保護選項，包括ESD抑制器和TVS二極體。例如，Pulse-Guard ESD抑制器使用聚合物複合材料來抑制快速上升的ESD瞬變(如IEC 61000-4-2中所規定)，同時幾乎不增加電路電容。它們補充了積體電路的片上保護，最適合低電壓、高速應用，其中低電容對於確保資料訊號完整性非常重要。瞬態電壓抑制器(TVS)二極體旨在保護電子電路免受瞬態和過壓威脅，如電快速瞬變(EFT)和ESD。TVS二極體作為矽雪崩元件的典型選項，通常因其回應時間快(低鉗位元電壓)、電容低、漏電流小。它們可用於單向(單極)或雙向(雙極)二極體電路配置。選擇TVS二極體時須考慮的重要參數包括反向斷態電壓(VR)、峰值脈衝電流(IPP)和最大鉗位元電壓(VCmax)。
保護I/O埠免受ESD影響
ESD也是飛行控制器上的I/O埠和飛行控制電機的電子速度控制器(ESC)的一個問題。保護該訊號埠的主要考慮因素是訊號的資料速率。隨著資料速率的增加，考慮所選抑制器的電容值至關重要，以免在系統中引入任何訊號完整性問題。例如，低速運行的埠中的電路應使用較高電容的多層壓敏電阻或TVS二極體陣列進行保護。同樣，電路板設計人員將決定是否使用分立MLV與多通道二極體，以保持放置靈活性(分立元件)或最小化元件數量(陣列產品)。
對於非常高的資料速率協定，幾乎沒有電容的抑制器是必不可少的，這樣系統就可以在不損失訊號品質的情況下傳輸和接收資料。基於聚合物的ESD抑制器具有遠低於1.0pF的電容值，可以在這些較高的資料傳輸速率下工作。
總結來說，PTC元件通常用於萬向節電機和飛行控制電機的過電流保護。保險絲和PTC元件經常用於配電元件過流保護。TVS二極體則適合保護處理無人機和地面站之間通訊的Wi-Fi天線/通訊連接埠。
(本文作者皆任職於Littelfuse)