2020年9月，使用3051架无人驾驶飞机（UAV）或无人机进行了壮观的灯光表演，打破了同时飞行最多的无人机的世界纪录。 不仅无人机提供了戏剧性的灯光表演，而且无人机在许多有用的应用中不断涌现。 工业制造检查，农作物检查，建筑工地检查，搜救行动，房地产摄影和森林火灾管理是利用无人机为人类提供宝贵服务的一些例子。
操作无人机
操作无人机与使用遥控器玩视频游戏没有太大区别。
例如，如果您的无人机有摄像头，并且您想进行一些空中射击，则可以通过无人机的遥控器提供适当的命令。 根据您的命令，无人机的相机将拍摄照片。 它传输图片或视频，如果有指示，也可以录制它们。 分配的任务完成后，无人机将安全返回其指定的着陆点。 根据无人机的类型和功能，还可以从移动电话应用程序或可以与无人机交互的计算机应用程序中提供指令。 听起来很简单，对吧？ 尽管操作可能很简单，但使之成为可能的技术却非常详尽。 另外，在延长飞行时间和电池寿命的同时，要注意尽量减小无人机的尺寸和重量。无人机的体系结构
大多数无人机都配备有四个马达，这就是为什么它们通常被称为四旋翼飞机。电子速度控制器（ESC）用于控制每个电动机的动作。无人机的大脑或主要部分是飞行控制器单元。在商用或高端无人机中，飞行控制器配备有GPS，可进行自动驾驶监视。远程控制设备由一个无线电发射器组成，该无线电发射器与无人机的无线电接收器接口。飞行控制器通常从无线电接收器接收命令，与接近传感器进行交互以避免障碍，并与内置GPS进行接口以进行地理位置定位。飞行控制器将信号发送给电调，电调又驱动各个电机，以协调无人机的运动。为了测量无人机相对于地面的位置，飞行控制器使用了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体系结构。
几乎所有的无人机都配备了摄像头。 为了在无人机飞行过程中拍摄无抖动的照片和视频，它使用一种称为云台的设备。 万向架可确保即使无人机在运动中，相机也能保持在原位。 一些无人机配备了带有显示器的遥控器。 其他提供配对和安装智能手机或平板电脑的选项，以控制和监视无人机的飞行和动作。 无人机通常使用锂聚合物电池，因为它们具有更高的能量密度，更轻的重量和更小的外形尺寸。 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，然后将其发送至ESC，以为电动机供电。 电源集线器还为飞行控制器，万向节控制器，摄像机，传感器和其他需要供电的组件供电。
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保护
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。拥有如此众多的通信和数据端口，无人机尤其容易受到静电放电（ESD）事件的损害。 ESD是静电从电荷较高的一个物体到电荷较低的一个物体的快速流动。因此，当高电荷的物体与另一低电荷的物体接触时，电荷将从高电荷的物体流向低电荷的物体。电荷（电子）的这种转移可能导致高达数千伏的ESD事件。此事件可能会损坏无人机的复杂内部电路，从而导致无人机发生故障，进而可能导致严重的人身伤害或财产损失。因此，ESD保护不仅对无人机至关重要，而且至关重要。 保护USB Type-C接口
如今，大量的无人机和遥控器都集成了USB C型接口以进行充电。 USB Type-C接口可利用USB供电（USB PD）来提供高达100W的功率，5 A的电流和20 V的电压。借助USB PD功能，可以更快地为设备充电。 USB Type-C的这种更快的充电功能使其在为无人机充电时非常受欢迎。如果不需要USB PD，则VBus可以在3A时支持5V，可提供15W的功率。
图2详细说明了USB C型引脚配置。如图所示，VBus和CC引脚需要防静电保护。 CC引脚有两个，一个用于定向检测，另一个用于启动功率传输。 Vbus引脚靠近CC引脚。如果VBus引脚上出现电压浪涌，最高可达到20V，则在短路情况下，CC引脚也将承受全部电压。保护VBus引脚需要一个瞬态电压抑制器（TVS）二极管，该二极管具有超过20V的工作电压，快速的响应时间和低钳位电压。另外，在保护VBus引脚的同时不希望降低器件性能。满足所有这些条件，Semtech的µClamp®2271P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。
需要一个具有至少20V击穿电压的TVS二极管来保护CC引脚。 Semtech的µClamp2411ZA具有承受高ESD的能力，电压范围为±20kV（空气）和±17kV（接触），最适合保护CC引脚。 µClamp2411ZA是一款双向TVS二极管，保持24V的工作电压，动态电阻低至1Ω。它采用超小型0201封装。
除了VBus和CC引脚之外，为了对USB C型接口的所有其他引脚提供ESD保护，请阅读我关于USB C型保护的博客。
图2. USB PD接口的ESD保护
保护无人机天线
无人机通过无线电频率与遥控器通信，无线电频率始终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的传输信号进行无线电和GPS通信。 需要具有超低结电容的双向ESD保护器件，以在该高频范围内保持天线的信号完整性。 这些信号的峰峰值电压也应保持稳定。 Semtech的RClamp®0561Z按照IEC 61000-4-2（ESD）的规范，在±15kV（空气）和±12kV（接触）下提供瞬态保护。 它采用0.62x0.32x0.30mm小型封装。 RClamp0561Z的典型结电容也非常低，仅为0.12pF。 图3显示了典型的天线保护电路。图3.无人机天线的ESD保护
RClamp0561Z的超低电容对传输线阻抗的影响极小，插入损耗特性极低，在10GHz频率下损耗仅为0.8dB。 这使其成为用于无人机无线电天线的引人注目的ESD保护设备。 对于包括GPS在内的其他规格和应用领域，Semtech提供了多种ESD保护二极管，如表1所示。
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表1：适用于保护无人机天线的广泛适用的Semtech零件
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。由于存储卡插槽中的引脚裸露，因此存储卡极易受到ESD电荷转移的影响。 Semtech的EClamp®2410P是EMI滤波器和线路终端设备与集成TVS二极管的组合，可以保护存储卡免受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接口上所需的串联和上拉电阻组成。每条线还包括用于ESD保护的TVS二极管。如图4所示，每条数据线的典型电容为12pF。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准则，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 0.58mm）封装。该器件的直通式封装设计简化了PCB布局。
图4.无人机存储卡的ESD保护
无人机的普及和使用正在上升。充分保护无人机免受所有ESD威胁至关重要。 Semtech广泛使用的值得信赖的TVS产品可以屏蔽许多世界上最受欢迎的无人机品牌。 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。 通过保护Semtech TVS产品的端口和接口，同时提高其可靠性和使用寿命，您可以享受无故障，无故障的无人机使用。
Written by 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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