Ремонт ESC FPV-дрона

Ремонт регулятора оборотов ESC формата «4-в-1» ключевой навык для техника по сборке FPV-дронов. Работающие на предельных токах до 60 А и коммутирующие высокие частоты, “регули” выходят из строя чаще другой электроники коптера. Для начинающего электронщика, восстановление регулятора скорости является отличной возможностью освоить компонентный ремонт многослойных печатных плат. Данное руководство содержит пошаговый алгоритм диагностики Speed Controller.

Сокращения в статье

Для качественного ремонта FPV-дронов важно знать базовые термины. Ниже приведен список с используемыми сокращениями: 

• FC (Flight Controller) — полётный контроллер.
• ESC (Electronic Speed Controller) — плата регулятора оборотов двигателей (дрона).
• LDO (Low Drop Out) — линейный стабилизатор напряжения с низким перепадом уровней.
• DC-DC (Direct Current to Direct Current) — преобразователь тока. 
• BEC (Battery Eliminator Circuits) — схема исключающая Li-Po батарею питания (LDO).
• MOSFET — N-канальный полевой транзистор.
• SiC (карбид кремния) — современная перспективная полупроводниковая технология.

Структура платы управления двигателями FPV-дрона

Прежде чем приступить к ремонту регулятора оборотов двигателями квадрокоптера, настоятельно рекомендуем изучить принцип работы, а также компонентов его составляющих. Более подробно принцип работы всех систем разбирает очный курс по сборке и настройке FPV-дрона. Главный гарант надежности работы схемы, четыре микросхемы SC7288. Это специализированные высокоскоростные драйверы (по одному на каждый мотор) для управления 3-х фазными бесколлекторными двигателями с защитой от dead time (т.е. от одновременного открытия управляющих ключей мостовой схемы выходного каскада). 

Если вдруг приключился «dead time», произойдет короткое замыкание по цепи питания от аккумулятора через одновременно открытые ключи моста выходного каскада с последующим выходом из строя этого каскада а, возможно проблемы с Li-Po аккумулятором. 

Информации об этой микросхеме маловато, но вот, что удалось “вытащить” из даташита производителя:

• максимальное рабочее напряжение: 150V (у нас аккумулятор 25 Вольт),
• диапазон рабочих температур: -55 +175 гр.С (вероятно использована технология SiC),
• разнообразные встроенные защиты от перегрузок.

Делаем вывод: вероятность выхода из строя данной микросхемы крайне мала.

Для начала, познакомимся с микросхемой SC7288 более подробно.

Рис.1 Микросхема SC7288 (3-phase gate driver)

Силовые ключи (внешние по отношению к SC7288 полевые транзисторы, т.е. N-канальные MOSFETы VT1 и VT2) как раз и есть те самые проблемные места для возникновения “dead time”, которые микросхема SC7288 умеет обходить. 

Более того, у микросхемы есть встроенный механизм повышения напряжения для надежного управления верхним плечом выходного каскада (VT1, подключенного к плюсу аккумулятора). 

Для повышения напряжения к выводам микросхемы VB и VS подключаются бутстрепные конденсаторы Cbs, которые получают заряд после открытия VT2 и при помощи мощного диода и специального электронного ключа, встроенных в микросхему, добавляют к напряжению питания (VCC) напряжение заряженного конденсатора сразу после закрытия VT2. Фактически, получается удвоение напряжения питания достаточное на надежного управления VT1.

 При ремонте регулятора оборотов не торопитесь перепаивать микросхему SC7288; маловероятно, что она вышла из строя. Демонтаж потребует дополнительных усилий, нижняя часть (PowerPad) микросхемы, припаяно к плате бессвинцовым припоем (Tпл = 210-217 градусов Цельсия). Для демонтажа потребуется не только термовоздушная станция, но и подогревающий стол снизу; а успех от замены маловероятен. Нужно быть абсолютно уверенным в ее неисправности для проведения замены.

Блок-схема электропитания FPV-дрона

На основе даташита SC7288 и других полученных данных, создаём блок-схему электропитания FPV-дрона, представленную на рисунке два.

Рис.2 Схема электропитания 4-моторного FPV-дрона

Основные начальные элементы по цепи питания:

1. аккумулятор 25V,
2. супрессор ZD1,
3. электролитический конденсатор C1 с низким ESR,
4. токовый шунт R1+R2,
5. массив (батарея) из керамических конденсаторов C2…C17.

Питание чувствительных к помехам компонентов схемы претерпевает многократную последовательную фильтрацию:

1. Супрессор ZD1 «отрезает» высоковольтные импульсные помехи от моторов.
2. Конденсатор C1 производит предварительную низкочастотную фильтрацию.
3. Конденсаторы C2- C17 производят высокочастотную фильтрацию.
4. Мощную дополнительную фильтрацию помех производят импульсные источники питания на 9 и 5 Вольт. JWBHJ — импульсный понижающий DC-DC преобразователь “Buck” топологии.
5. Окончательную чистку питания от помех производят LDO (линейные стабилизаторы с малым перепадом напряжений).
6. Пара LDO питает разные чувствительные узлы, защищая их от взаимных помех в том числе.

Драйвер затворов SC7288 правильнее запитывать от дополнительного повышающего (boost) DC-DC преобразователя. На схеме Рис.1 он обозначен серым цветом; на плате, с которой мы работаем в настоящий момент, этого преобразователя нет, и на драйвер затворов SC7288 подаётся питание (VCC) 5 Вольт. 

Это рабочий, но «экономный» вариант; оптимальное напряжение на затворах транзисторов должно составлять 10-12 V, если это напряжение меньше в 2-2,5 раза, увеличивается сопротивление открытого канала MOSFET транзистора (Rds) в те же 2-2,5 раза, что увеличивает потери мощности  и КПД, снижает надежность схемы.

Рис.3 Снимок платы со стороны временно демонтированного теплоотвода (остатки термопасты сохранены)

Рис.4 Снимок платы с обратной стороны

Для обоих рисунков использована сквозная нумерация компонентов:

1. Питание от аккумулятора
2. Стабилитрон / супрессор (диод Зеннера) ZD1
3. Токовый шунт R1 и R2
4. «Батарея» из 16-и керамических конденсаторов
5. Силовые MOSFET (24 шт.)
6. Фазы моторов
7. ВЕС 5 V
8. LDO 3.3 V (2 шт.)
9. Драйвер затворов SC7288 (4 шт.)
10. MCU BB21 (4 шт.)
11. Шлейф (разъём) на FC

Ремонт регулятора оборотов FPV-дрона

Посмотрим, что может выйти из строя:

1. Аккумулятор 25V (проверяется в первую очередь).
2. Супрессор ZD1 решает 3 задачи: 
   1. Защита от обратного подключения питания (как минимум на этапе проверки и ремонта).
   2. Защита от повышенного входного напряжения питания.
   3. Защита от электромагнитных помех, создаваемых двигателями FPV-дрона. Помехи могут нарушить работу чувствительной электроники, например, процессоров BB21 и FC). Если ZD1 “пробит”, то аккумулятор будет закорочен
3. Электролитический конденсатор C1 с низким ESR. Пробит — закорочен аккумулятор (может и взорваться и тот и другой). Вырос ESR, соответственно выросли потери, т.е. нагрузки на аккумулятор и помехи для чувствительной электроники (один из самых неприятных случаев для локализации неисправности).
4. Токовый шунт R1+R2, редкая, но визуально легко обнаруживаемая неисправность.
5. Массив («батарея») из керамических конденсаторов C2…C17, очень неприятный и редкий вариант. Если пробит один конденсатор из 16-ти, аккумулятор закорочен, питание не идёт на плату. Для поиска неисправного конденсатора поможет подключение платы к лабораторному блоку питания и термография.

При ремонте регулятора оборотов, первое, что нужно сделать исходя из вышесказанного — отключить аккумулятор, отпаять C1 и проверить цепи питания на КЗ. Есть КЗ — ищем его в соответствии со списком. Конденсатор C1 отдельно проверяем на короткое замыкание, а также его ёмкость и ESR, инструкция по проверке здесь. Супрессор, на исправной плате ведёт себя как обычный диод в обратном включении, т.е. красный щуп мультиметра в режиме диодной прозвонки ставим на плюс питания платы, черный — на минус, должны увидеть “OL”, меняем щупы местами — показания около 0,45 Вольт. 

Не забываем принимать во внимание то, что параллельно супрессору подключена «батарея» из керамических конденсаторов, которые требуют времени для перезарядки, и для получения точных показаний мультиметра может потребоваться до 3-5 секунд ожидания.

Примечание: показания мультиметра в режиме омметра у исправной платы должны составлять примерно:

• 6-7 кОм — в прямом включении (красный щуп на плюсе),
• 30-40 кОм — в обратном включении (красный щуп на минусе).

Если короткого замыкания по питанию нет, то переходим к попытке локализации самой частой неисправности у данной платы, т.е. пробой одного или нескольких N-канальных силовых MOSFET. 

Маркировка на транзисторах — G009N04. На плате их 24 штуки (4 трехфазных мотора, на каждую фазу, по 2 транзистора согласно схеме на Рис.2, см. VT1 и VT2). Проверка производится так: отпаиваем от платы провода идущие к моторам и мультиметром в режиме омметра или прозвонки ищем КЗ между фазами каждого двигателя как на «+», так и на «-» питания. Есть КЗ, значит силовой ключ пробит и подлежит замене.

Примечание: транзисторы имеют 8 выводов и теплоотводящую площадку, которые припаивается к плате и электрически соединено со стоком.

Если вышесказанное не помогло

Без подключенного полетного контроллера (FC) регулятор оборотов работает в статическом режиме, на осциллограф надежды мало. Ремонтируя регулятор оборотов важно проверить выходные напряжения всех BEC. Фазы двигателей отключены от платы, подключаем лабораторный источник питания, выставляем защиту по току около 1А, подаем 25 Вольт. 

Лучше всего начинать с импульсного 5-вольтового стабилизатора. Затем проверяем LDO. Нет нужного напряжения на выходе стабилизатора (напряжение нестабильно, чип греется) — замена.

Совет: после демонтажа потенциально неисправного компонента (например, LDO), но до монтажа нового, рекомендуем проверить нагрузочные цепи этого компонента на КЗ. Если сопротивление низкое, меньше 20 Ом, вероятно, вышел из строя один из BB21. При подключении 3,3V к их шине питания неисправный контроллер будет греться.

Ремонтируя ESC FPV-дрона необходимо проверить на короткое замыкание все бутстрепные конденсаторы, подключенные к контактам VS и VB драйверов затворов SC7288, особенно если были пробиты силовые MOSFETы.

Вывод:

Компонентный ремонт регулятора скорости квадрокоптера требует от техника знания компонентной базы и алгоритма диагностики. Правильная работа с мультиметром позволяет быстро найти пробитые силовые ключи ESC. Использование качественного флюса и мощного паяльника гарантирует ремонт без повреждения электронной платы.