Máy bay không người lái (UAV), thường được gọi là máy bay không người lái, dựa vào hệ thống điện tử nhỏ gọn để điều khiển chuyến bay, giám sát cảm biến, quản lý năng lượng pin và vận hành động cơ. Ngay cả những nhiễu loạn điện nhỏ cũng có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của các mạch nhạy cảm, đặc biệt là khi máy bay không người lái thay đổi tốc độ hoặc hướng bay nhanh chóng.

Tụ gốm nhiều lớp (MLCC) được sử dụng rộng rãi trong các mạch điện tử vì chúng có kích thước nhỏ gọn, đặc tính tần số cao hữu ích và nhiều tùy chọn điện dung và điện áp.

Trong thiết bị điện tử không người lái, MLCC có thể được sử dụng trong bộ điều khiển chuyến bay, bộ điều khiển tốc độ điện tử (ESC), mạch giám sát pin, mô-đun liên lạc và giao diện cảm biến. Tuy nhiên, mỗi ứng dụng đặt ra những thách thức về điện và cơ khí khác nhau.

Đối với các kỹ sư và nhóm mua hàng, việc hiểu rõ những khác biệt này là rất quan trọng khi lựa chọn tụ điện cho thiết kế UAV mới hoặc đánh giá các bộ phận thay thế.

1. MLCC được sử dụng ở đâu trong Điện tử Drone?

Máy bay không người lái chứa một số hệ thống con điện tử, mỗi hệ thống có yêu cầu về tụ điện khác nhau.

Bộ điều khiển chuyến bay: Bộ điều khiển xử lý thông tin cảm biến và tính toán các lệnh động cơ. MLCC thường được sử dụng để tách nguồn cục bộ gần bộ vi điều khiển, bộ xử lý và các IC liên quan.

Bộ điều khiển tốc độ điện tử (ESC): ESC điều chỉnh công suất cung cấp cho động cơ. MLCC có thể được sử dụng để bỏ qua cục bộ, lọc và các chức năng giai đoạn nguồn được chọn, tùy thuộc vào cấu trúc liên kết mạch.

Giám sát pin và quản lý năng lượng: Tụ điện có thể hỗ trợ hoạt động điều chỉnh điện áp, lọc tín hiệu đo và giúp ổn định đường ray cung cấp điện áp thấp.

Điều hướng và cảm biến: Áp kế, thiết bị đo quán tính (IMU), từ kế và các cảm biến khác có thể yêu cầu nguồn điện sạch và các mạch điều hòa tín hiệu được thiết kế cẩn thận.

Giao tiếp không dây: Các mô-đun vô tuyến có thể tạo ra dòng điện thay đổi trong quá trình truyền. Việc tách cục bộ giúp mạng điện phản ứng với những thay đổi này.

Tụ điện chính xác phụ thuộc vào chức năng của mạch. Một tụ điện được sử dụng gần bộ điều khiển chuyến bay điện áp thấp có thể không phù hợp với đầu vào pin có điện áp cao hơn hoặc giai đoạn chuyển đổi năng lượng.

2. Ổn định nguồn điện khi thay đổi chuyến bay nhanh chóng

Thiết bị điện tử không người lái phải đáp ứng với các điều kiện hoạt động thay đổi. Trong quá trình tăng tốc, leo dốc, di chuyển nhanh hoặc các điều kiện bay đòi hỏi khắt khe khác, yêu cầu về công suất động cơ có thể thay đổi đáng kể.

Những thay đổi này có thể ảnh hưởng đến điện áp pin và hoạt động của mạng phân phối điện.

MLCC có thể giúp ổn định đường ray điện cục bộ bằng cách cung cấp các đường dẫn nhánh tần số cao và hỗ trợ các nhu cầu hiện tại trong thời gian ngắn. Tuy nhiên, chúng chỉ là một phần của hệ thống điện.

Khi chọn MLCC cho bộ điều khiển chuyến bay và các thiết bị điện tử liên quan, các kỹ sư nên cân nhắc:

• Điện áp bình thường và điện áp cực đại tại các cực của tụ điện
• Quá độ hiện tại từ bộ xử lý, radio và các tải khác
• Đáp ứng điều chỉnh điện áp
• Trở kháng của pin và điện trở nối dây
• Điện dung hiệu dụng theo độ lệch DC
• Điện cảm dấu vết PCB và nối đất

Một tụ điện nhỏ đặt gần IC có thể hữu ích cho việc tách tần số cao, trong khi yêu cầu lưu trữ năng lượng lớn hơn có thể yêu cầu bố trí tụ điện khác.

Nếu bộ điều khiển chuyến bay đặt lại trong quá trình thao tác mạnh mẽ, việc bổ sung điện dung không phải là phản ứng đầu tiên và duy nhất. Đo đường ray cung cấp trong sự kiện và điều tra độ võng của pin, điện trở đầu nối, hiệu suất của bộ điều chỉnh, nối đất và bố trí PCB.

3. MLCC trong Bộ điều khiển tốc độ điện tử

ESC điều khiển tốc độ động cơ bằng cách chuyển đổi nhanh chóng các thiết bị nguồn. Tùy thuộc vào thiết kế máy bay không người lái, chúng có thể hoạt động với động cơ có chổi than hoặc không chổi than và sử dụng các kiến ​​trúc giai đoạn công suất khác nhau.

Môi trường ESC có thể đòi hỏi nhiều về điện vì các chuyển đổi chuyển mạch tạo ra các vòng dòng điện tần số cao và nhiễu điện áp.

MLCC có thể hỗ trợ tách cục bộ và lọc tần số cao ở các vị trí thích hợp. Hiệu quả của chúng phụ thuộc vào thiết kế mạch, gói, hình dạng kết nối và ứng suất điện áp.

Kiểm tra điện áp thực tế

Vị trí của tụ điện xác định điện áp mà nó trải qua. Một tụ điện được kết nối với đường ray logic được điều chỉnh có các yêu cầu khác với tụ điện được kết nối với bus pin hoặc nút chuyển mạch.

Các kỹ sư nên tính đến điện áp hoạt động tối đa và các điều kiện nhất thời có liên quan. Chỉ riêng điện áp danh định của pin có thể không đại diện cho toàn bộ ứng suất điện.

Xét điện dung hiệu dụng

MLCC loại II, chẳng hạn như X7R và X5R, có thể cung cấp điện dung tương đối cao trong các gói nhỏ gọn. Điện dung của chúng có thể giảm theo độ lệch DC.

Đối với mạch dựa vào điện dung tối thiểu, hãy sử dụng thông tin độ lệch DC của nhà sản xuất để xác định giá trị hiệu dụng trong điều kiện vận hành.

Xem lại vòng nguồn

Hiệu suất tần số cao phụ thuộc nhiều hơn vào ESR hoặc ESL danh nghĩa của tụ điện. Độ dài vết, vias, đường dẫn trở về và sự sắp xếp vật lý của các thành phần chuyển mạch đều ảnh hưởng đến vòng lặp hiện tại.

Đặt các tụ tách theo thiết kế mạch và khuyến nghị của nhà sản xuất. Xác minh kết quả thông qua các phép đo thay vì giả định rằng một giá trị tụ điện cụ thể sẽ tự động loại bỏ nhiễu chuyển mạch.

4. Giảm nhiễu điện trong bộ điều khiển và cảm biến chuyến bay

Bộ điều khiển chuyến bay của máy bay không người lái có thể kết hợp xử lý kỹ thuật số tốc độ cao với các mạch đo nhạy cảm. Tiếng ồn từ chuyển mạch động cơ, chuyển đổi nguồn, truyền không dây hoặc đường dẫn nguồn dùng chung có thể ảnh hưởng đến các hệ thống con này.

MLCC có thể giúp giảm nhiễu nguồn điện, nhưng chúng không thể thay thế cách bố trí mạch hoặc xử lý tín hiệu thích hợp.

Sử dụng tụ điện phù hợp cho đường ray nguồn cảm biến

Các tụ điện tách rời đặt gần IC cảm biến giúp cung cấp đường dẫn dòng điện tần số cao cục bộ. Các giá trị yêu cầu và đặc tính điện môi phụ thuộc vào khuyến nghị của nhà sản xuất cảm biến và mạch xung quanh.

Lọc nguồn riêng biệt khỏi lọc tín hiệu

Tụ điện được sử dụng để tách chân nguồn có vai trò khác với tụ điện được sử dụng trong bộ lọc thông thấp tương tự.

Đối với các ứng dụng lọc hoặc định thời chính xác, MLCC C0G/NP0 có thể phù hợp do có điện dung ổn định và tổn thất điện môi thấp. Đối với nhiều ứng dụng tách nguồn nói chung, các bộ phận X7R hoặc X5R có thể phù hợp khi điện dung hiệu dụng và phạm vi hoạt động của chúng đáp ứng các yêu cầu.

Kiểm tra trong điều kiện thực tế

Cần kiểm tra hiệu suất của cảm biến trong khi động cơ, radio và bộ điều chỉnh chuyển mạch đang hoạt động. Chỉ kiểm tra bộ điều khiển chuyến bay trên băng ghế yên tĩnh có thể không phát hiện được vấn đề xảy ra trong máy bay không người lái đã được lắp ráp.

Khi thích hợp, hãy so sánh số đọc của cảm biến và phép đo đường ray cung cấp trong các điều kiện không tải, khởi động động cơ và tải cao.

5. Kích thước gói hàng và bố cục PCB cho UAV nhỏ gọn

Thiết bị điện tử của máy bay không người lái thường có những hạn chế nghiêm ngặt về kích thước và trọng lượng. Các gói MLCC nhỏ gọn có thể giúp giảm diện tích PCB, nhưng gói nhỏ nhất không phải lúc nào cũng là lựa chọn tốt nhất.

Gói nhỏ hơn có thể cung cấp ít điện dung khả dụng hơn hoặc mức điện áp thấp hơn gói thay thế lớn hơn. Lựa chọn cuối cùng phải cân bằng giữa hiệu suất điện, không gian bo mạch, khả năng lắp ráp và độ tin cậy cơ học.

Thực hành tốt về PCB bao gồm:

• Đặt các tụ tách gần các chân IC mà chúng phục vụ.
• Giữ đường dẫn cung cấp và trở lại tần số cao ngắn.
• Thực hiện theo bố cục tham chiếu dành cho bộ điều chỉnh điện áp và IC điều khiển ESC.
• Tránh định tuyến các tín hiệu cảm biến nhạy cảm qua các vùng có dòng điện chuyển mạch gây nhiễu.
• Cung cấp hỗ trợ cơ học phù hợp cho các tấm tiếp xúc với rung động.
• Xem lại các vị trí tụ điện gần lỗ lắp, đầu nối và cạnh PCB.

Đối với các mạch ESC dòng điện cao, các kỹ sư nên đánh giá toàn bộ vòng nguồn thay vì chỉ dựa vào vị trí đặt linh kiện.

6. Độ rung, sốc và độ tin cậy cơ học

Máy bay không người lái chịu rung động từ động cơ và cánh quạt. Họ cũng có thể bị sốc khi hạ cánh, xử lý hoặc va chạm.

MLCC sử dụng vật liệu gốm giòn nên PCB bị uốn cong quá mức hoặc ứng suất cơ học có thể gây ra vết nứt. Tụ điện bị hỏng có thể phát ra hiện tượng điện không liên tục hoặc bị hỏng do đoản mạch hoặc hở mạch.

Để giảm thiểu rủi ro, nhóm thiết kế nên xem xét:

Gắn PCB: Đảm bảo bo mạch được hỗ trợ đầy đủ và lực lắp không tạo ra sự uốn cong quá mức.

Vị trí thành phần: Tránh các MLCC dễ bị tổn thương ở những khu vực chịu áp lực uốn cong cao, chẳng hạn như gần các cạnh bo mạch, lỗ vít và một số vị trí đầu nối nhất định.

Lắp ráp và xử lý: Thực hiện theo các quy trình tháo, hàn và xử lý phù hợp. Hư hỏng cơ học có thể xảy ra trong quá trình sản xuất trước khi sản phẩm được đưa vào sử dụng.

Xác nhận độ rung: Kiểm tra hệ thống điện tử đã lắp ráp trong các điều kiện phù hợp với mục đích sử dụng của nó. Kiểm tra hiệu suất điện trước và sau khi thử nghiệm khi thích hợp.

Đối với các thiết kế có rủi ro cơ học cao, các kỹ sư có thể đánh giá MLCC có tính năng kết thúc linh hoạt nếu có sẵn các bộ phận phù hợp. Các tính năng như vậy có thể làm giảm một số rủi ro nhất định liên quan đến độ uốn của bo mạch, nhưng chúng không loại bỏ nhu cầu thiết kế và xác nhận PCB hợp lý.

7. Chọn chất điện môi MLCC phù hợp

Các chất điện môi gốm khác nhau cung cấp sự kết hợp khác nhau giữa điện dung, độ ổn định và hiệu suất nhiệt độ.

Đây là những hướng dẫn chung, không phải là phê duyệt tự động cho một mạch cụ thể.

Khi so sánh các bộ phận, hãy xem xét điện áp định mức, dung sai điện dung, điện dung hiệu dụng theo độ lệch, nhiệt độ vận hành, kích thước gói hàng và bất kỳ yêu cầu cơ học nào.

Không chọn MLCC chỉ vì điện dung danh nghĩa của nó phù hợp với thành phần ban đầu. Sự khác biệt trong gói, hành vi điện môi và độ lệch có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của mạch hoàn chỉnh.

8. Danh sách kiểm tra lựa chọn MLCC thực tế dành cho các nhà thiết kế máy bay không người lái

Trước khi hoàn thiện các tụ điện cho thiết kế UAV, hãy xem lại các mục sau:

1. Xác định chức năng và vị trí mạch của từng MLCC.
2. Xác nhận điện áp hoạt động tối đa và các quá độ liên quan.
3. Kiểm tra điện dung hiệu dụng theo độ lệch DC.
4. Xác minh phạm vi điện môi và nhiệt độ.
5. Xem lại khuyến nghị của nhà sản xuất bộ điều khiển chuyến bay hoặc bộ điều chỉnh.
6. Đo độ ổn định của nguồn cung cấp trong quá trình hoạt động của bộ xử lý và radio.
7. Đánh giá tiếng ồn chuyển mạch và cách bố trí vòng lặp hiện tại trong ESC.
8. Kiểm tra độ chính xác của cảm biến với động cơ và mô-đun không dây đang hoạt động.
9. Đánh giá ứng suất uốn, rung, lắp và lắp ráp PCB.
10. Xác nhận thiết kế đã hoàn thành trong các điều kiện vận hành đại diện.

Đối với các nhóm mua hàng, số bộ phận ban đầu của nhà sản xuất là điểm khởi đầu tốt nhất. Nếu không có bộ phận chính xác, hãy so sánh các thông số kỹ thuật cơ và điện đầy đủ của bộ phận thay thế trước khi phê duyệt sản xuất.

Câu hỏi thường gặp

MLCC làm gì trong máy bay không người lái?

MLCC được sử dụng để tách nguồn, lọc, hỗ trợ bộ điều chỉnh và các chức năng điều hòa tín hiệu được chọn. Vai trò của chúng phụ thuộc vào bộ điều khiển chuyến bay, ESC, cảm biến hoặc mạch điện mà chúng được lắp đặt.

MLCC có thể ngăn chặn việc thiết lập lại bộ điều khiển chuyến bay không người lái không?

Chúng có thể giúp ích nếu vấn đề liên quan đến nhiễu loạn nguồn cung cấp tần số cao cục bộ hoặc điện dung hiệu dụng không đủ. Tuy nhiên, việc đặt lại cũng có thể do pin bị chùng xuống, hạn chế của bộ điều chỉnh, điện trở của dây dẫn, sự cố phần sụn hoặc nhiễu điện từ. Chẩn đoán nên bắt đầu bằng các phép đo.

Tụ điện X7R có phù hợp với thiết bị điện tử của máy bay không người lái không?

MLCC X7R có thể phù hợp cho nhiều ứng dụng tách và lọc. Các kỹ sư vẫn phải xác minh các yêu cầu về điện áp, nhiệt độ, điện dung hiệu dụng và mạch điện thực tế.

Tại sao ứng suất cơ học lại quan trọng đối với MLCC máy bay không người lái?

Động cơ rung, va đập, uốn cong PCB và ứng suất lắp ráp có thể góp phần gây ra vết nứt gốm. Thiết kế, xử lý và kiểm tra bo mạch phù hợp giúp giảm thiểu rủi ro.

Người mua nên cung cấp thông tin gì khi tìm nguồn cung ứng MLCC cho máy bay không người lái?

Cung cấp số bộ phận nếu có, cùng với điện dung, dung sai, định mức điện áp, chất điện môi, kích thước gói hàng, số lượng yêu cầu và các yêu cầu về nhiệt độ vận hành. Thông tin chi tiết về ứng dụng mạch cũng có thể giúp làm rõ các tiêu chí lựa chọn.

Phần kết luận

MLCC hỗ trợ thiết bị điện tử của máy bay không người lái bằng cách giúp ổn định đường ray điện, lọc nhiễu tần số cao và duy trì hoạt động đáng tin cậy trên bộ điều khiển chuyến bay, ESC, cảm biến và mô-đun liên lạc.

Lựa chọn thành công đòi hỏi phải chú ý đến ứng suất điện, điện dung hiệu dụng, bố trí PCB và các điều kiện cơ học. Thành phần tốt nhất không nhất thiết phải là thành phần nhỏ nhất hoặc có điện dung danh nghĩa cao nhất; nó là cái đáp ứng được yêu cầu thực tế của mạch và UAV đã hoàn thiện.

Nếu bạn đang tìm nguồn cung ứng MLCC cho máy bay không người lái, bộ điều khiển chuyến bay UAV, ESC hoặc các hệ thống điện tử nhỏ gọn khác, hãy truy cập Barron MLCC tại //www.barronmlcc.com/ để xem thông tin sản phẩm. Chia sẻ thông số kỹ thuật cần thiết và số lượng mục tiêu của bạn với nhóm để thảo luận về các lựa chọn tìm nguồn cung ứng phù hợp.