Zu den in Drohnen verwendeten Leiterplatten gehören Flugsteuerungen, elektronische Drehzahlregler, Stromverteilerplatinen, Sensor- und Navigationsplatinen, Kommunikationsplatinen sowie Platinen für Kameras oder andere Nutzlasten. Manche Drohnen vereinen mehrere dieser Funktionen auf einer Baugruppe; andere verbinden separate Module.
Jede Funktion stellt unterschiedliche Anforderungen an ihre Leiterplatte (PCB). Eine Flugsteuerung benötigt störungsarme Sensorsignale, während ein Motorregler mit Schaltströmen und Wärme umgehen können muss. Wenn ein Entwicklungsteam diese Unterschiede kennt, kann es besser entscheiden, welche Funktionen integriert werden sollen und welche Angaben der Leiterplattenhersteller benötigt.
Wichtige Erkenntnisse
- Flugsteuerung, Motoransteuerung, Stromversorgung, Sensorik, Kommunikation und Nutzlaststeuerung sind Funktionen. Sie erfordern nicht unbedingt sechs separate Platinen.
- Die Funktion und der Aufbau einer Leiterplatte’s sind zwei unterschiedliche Entscheidungen: Eine Flugsteuerung kann beispielsweise eine starre Mehrlagenplatine verwenden, während eine Kameraverbindung flexibel ausgeführt sein kann.
- Legen Sie für jede Baugruppe die Anforderungen an Strom, Wärme, Mechanik, Signale und Tests fest, bevor Sie Materialien auswählen oder ein Angebot anfordern.
- Die Prüfung einer Platine oder Lötstelle ersetzt nicht die Funktions- und Umwelttests des fertigen Fluggeräts.
In diesem Leitfaden: Platinenfunktionen | Leiterplattenaufbau | Integrierte und separate Platinen | Checkliste für die Fertigung | Häufig gestellte Fragen
Drohnen-Leiterplatten im Überblick
Die Tabelle ordnet Drohnenelektronik nach ihrer Funktion. Die tatsächliche Anzahl der Baugruppen hängt vom Fluggerät und davon ab, wie viele Funktionen im Entwurf integriert sind.
| Platine oder Funktion | Hauptaufgabe | Konstruktionsaspekt | Kombinierbar? |
|---|---|---|---|
| Flugsteuerung | Liest Sensordaten und gibt Steuerbefehle aus | Sensorrauschen, Vibrationen, Spannungsqualität | Wird häufig mit anderen Steuerungs- oder Stromversorgungsfunktionen integriert |
| Elektronischer Drehzahlregler (ESC) | Steuert einen Elektromotor entsprechend den Befehlen an | Strom, Schaltstörungen, Wärme | Kann mit weiteren ESCs oder Steuerungselektronik auf einer Baugruppe untergebracht sein |
| Stromverteilung und Überwachung | Verteilt und überwacht elektrische Energie | Strompfade, Spannungsabfall, Schutz | Kann Teil eines ESC oder der Hauptplatine sein |
| Navigation und Sensorik | Liefert Messwerte zu Position, Bewegung, Höhe oder anderen Größen | Platzierung, Störungen, Vibrationen | Sensoren können auf der Platine oder auf separaten Modulen untergebracht sein |
| Funk und Telemetrie | Überträgt Steuer-, Daten- oder Videosignale | Antennenplatzierung, HF-Layout, Störungen | Manche Funkmodule sind integriert, andere separat |
| Steuerung von Kamera, Gimbal oder Nutzlast | Bedient Missionsausrüstung | Schnittstellen, Platzbedarf, Wärme, mechanische Bewegung | Hängt von der Nutzlast und dem Fluggerät ab |
Dies sind Funktionskategorien. Begriffe wie starr, flexibel, Starr-Flex und High-Density Interconnect (HDI) beschreiben den Aufbau oder die Leitungsführung einer Leiterplatte. Eine einzelne Platine kann einer Funktionskategorie angehören und zugleich mehrere Konstruktionsmerkmale aufweisen.
Die wichtigsten Arten von Leiterplatten in Drohnen
Flugsteuerungsplatine
Die Flugsteuerung ist die zentrale Steuereinheit des Fluggeräts. Sie empfängt Messwerte wie Beschleunigung und Winkelgeschwindigkeit, verarbeitet Befehle und sendet Ausgabesignale an die Aktoren. Die Dokumentation der Flugsteuerung von PX4 beschreibt die Flugsteuerung als die Autopilot-Hardware, auf der die PX4-Firmware ausgeführt wird.
Ein Controller kann einen Prozessor, eine inertiale Messeinheit (IMU), eine Spannungsregelung, Speicher und Anschlüsse für Peripheriegeräte enthalten. Die genaue Ausstattung und Firmware unterscheiden sich je nach Plattform. Bei der Anordnung sollten die Position der Sensoren, Vibrationen, Schaltstörungen und eine stabile Stromversorgung berücksichtigt werden. Einen empfindlichen Sensor mechanisch oder elektrisch zu entkoppeln, ist eine Aufgabe des Systemdesigns; sie lässt sich nicht auf die Wahl eines einzelnen Leiterplattenmaterials reduzieren.
Platine für elektronischen Drehzahlregler
Ein elektronischer Drehzahlregler (ESC) steuert die einem Elektromotor zugeführte Leistung als Reaktion auf einen Steuerbefehl. Bei einem Multikopter benötigt das System für jeden Motor einen Steuerkanal, mehrere Kanäle können jedoch auf einer gemeinsamen Platine untergebracht sein.
Ein konkretes Beispiel ist das ESC-Referenzdesign TIDA-00643 von Texas Instruments’, das einen Mikrocontroller, einen Gate-Treiber und MOSFETs kombiniert, um einen bürstenlosen Motor anzutreiben. Schaltplan und Layout sind spezifisch für dieses Design und keine allgemeingültige Spezifikation.
Beim ESC stellt sich eine andere Layoutaufgabe als beim Flugcontroller. Seine Schaltkomponenten und Strompfade erzeugen Wärme und elektrische Störungen. Leiterbahngeometrie, Bauteilplatzierung, Rückstrompfad und Wärmeabfuhr aus der Baugruppe beeinflussen das Design. Die erforderliche Kupferdicke und die Leiterbahnabmessungen hängen von Strom, Tastgrad, Temperaturanstieg, Kühlung und dem übrigen Lagenaufbau ab; es gibt keine allgemeingültige Spezifikation für Drohnen-ESCs.
Stromverteilungs- und Batterieüberwachungsplatinen
Eine Stromverteilungsplatine leitet elektrische Energie von der Batterie zu Verbrauchern wie Motorsteuerungen und geregelter Elektronik. Eine Stromüberwachungsschaltung kann Spannung oder Strom messen und die Informationen an den Controller übermitteln. Ein Batteriemanagementsystem kann je nach Batterie und Produktarchitektur zusätzliche batteriespezifische Überwachungs- oder Schutzfunktionen bereitstellen. Diese Begriffe bezeichnen verwandte, aber unterschiedliche Funktionen.
Die Dokumentation zum Stromversorgungssystem von PX4 beschreibt Stromversorgungsmodule, die den Controller versorgen und Batteriespannung und -strom überwachen. Sowohl der Stromverteilungspfad als auch die geregelte Versorgung des Controllers müssen berücksichtigt werden.
Bestimmen Sie für die Leiterplatte die normalen und Spitzenlasten, Anschlüsse, Schutzanforderungen, den Spannungsabfall und die entlang des Strompfads entstehende Wärme. Eine kompakte Platine kann Stromverteilung mit ESCs oder der Flugsteuerung kombinieren. Dadurch lässt sich die Zahl der Verbindungen verringern, die Leistungselektronik rückt jedoch zugleich näher an empfindliche Elektronik heran.
Navigations- und Sensorplatinen
Sensoren liefern dem Fluggerät Informationen über seine Bewegung und Umgebung. Eine IMU erfasst üblicherweise Beschleunigung und Drehrate. Weitere Sensoren können Informationen zu Höhe oder Kurs liefern. Ein Empfänger für ein globales Satellitennavigationssystem (GNSS) kann Positions- und Zeitinformationen bereitstellen, wenn ein nutzbares Satellitensignal verfügbar ist.
Einige Sensoren befinden sich auf der Flugcontroller-Baugruppe, andere auf separaten Modulen. Der Einbauort ist wichtig: Sensoren können durch Vibrationen, Wärme, elektrische Störungen, nahegelegene Metallteile oder die zu messende physische Umgebung beeinflusst werden. Für ein externes GNSS- und Kompassmodul empfiehlt die Montageanleitung von PX4 , es möglichst weit entfernt von Motor- und ESC-Stromleitungen anzubringen. Eine separate Sensorplatine bietet mehr Flexibilität bei der Platzierung, erfordert jedoch Entscheidungen zu Anschlüssen und Kabelführung.
Funk-, Telemetrie- und Videoplatinen
Kommunikationselektronik überträgt Informationen zwischen dem Fluggerät und anderen Geräten. Je nach Drohne können die Verbindungen Steuerbefehle, Telemetrie, Video oder mehrere dieser Funktionen übertragen. Auch ein GNSS-Empfänger arbeitet mit Funksignalen, empfängt jedoch Satellitennavigationssignale und überträgt nicht die Befehle des Piloten.
Die Telemetriedokumentation von PX4 beschreibt Verbindungen zwischen einem Fluggerät und einer Bodensteuerungssoftware; unterstützte Geräte und Schnittstellen unterscheiden sich je nach System.
Die HF-Leistung hängt von der gesamten Baugruppe ab, einschließlich Antenne, ihrer Platzierung, Gehäuse, nahegelegener Leiter und Leiterplattenlayout. Legen Sie Frequenz, Schnittstelle, Antennenanordnung und Impedanzanforderungen fest, bevor Sie den Lagenaufbau auswählen. Ein Speziallaminat kann für bestimmte Designs sinnvoll sein; allein eine Funkfunktion bedeutet jedoch nicht, dass es erforderlich ist.
Platinen für Kameras, Gimbals, Begleitcomputer und Nutzlasten
Eine Kamera- oder Gimbalplatine unterstützt die Bildaufnahme oder Stabilisierung; eine weitere Nutzlastplatine kann einen Sensor oder ein missionsspezifisches Gerät steuern. Manche Fluggeräte führen außerdem einen Begleitcomputer für Rechenaufgaben mit, die nicht zum Flugcontroller gehören. Diese Platinen sind optional und hängen vom Einsatzzweck des Fluggeräts ab.
Ein beweglicher Gimbal bringt mechanische Anforderungen und Anforderungen an die Verbindungen mit sich, die bei einem fest montierten Controller möglicherweise nicht auftreten. Flexible Leiterplatten können dabei helfen, bewegliche oder eng verpackte Bauteile zu verbinden, sofern Biegegeometrie, Verstärkung und erwartete Bewegung für die jeweilige Anwendung ausgelegt sind. Weitere Informationen zu den Konstruktionsdetails finden Sie im Leitfaden zu flexiblen Leiterplatten .
Welche Leiterplattenkonstruktion eignet sich für die jeweilige Drohnenplatine?
Wählen Sie die Konstruktion anhand der Funktion, der elektrischen Anforderungen, der Einbausituation und der Einsatzumgebung der Platine aus. Die folgenden Angaben sind mögliche Ausgangspunkte für die Diskussion, keine vorgeschriebenen Zuordnungen.
| Leiterplattenaufbau | Möglicher Einsatzbereich | Möglicher Vorteil | Zu prüfender Zielkonflikt |
|---|---|---|---|
| Starre Mehrlagenleiterplatte aus FR-4 | Flugsteuerung, Stromversorgung und andere fest montierte Baugruppen | Bietet eine vertraute Bauweise für Bauteile und Leiterbahnführung | Lagenaufbau, Kupfer und mechanische Befestigung müssen dennoch überprüft werden |
| Flexible Leiterplatte | Verbindungen zu Kameras oder Sensoren | Kann durch enge oder bewegliche Bereiche geführt werden | Biegebereich, Verstärkung und Lebensdauer bei Bewegung müssen berücksichtigt werden |
| Rigid-Flex-Leiterplatte | Baugruppe mit starren Bauteilbereichen, die durch flexible Bereiche verbunden sind | Kann starre und flexible Bereiche integrieren | Lagenaufbau, Fertigung und Biegeanforderungen müssen frühzeitig geprüft werden |
| HDI-Merkmale | Dicht bestückte Controller oder kompakte Module | Feine Strukturen und Microvias können die Leiterbahnführung bei dicht bestückten Gehäusen erleichtern | Bringt zusätzliche Anforderungen an Fertigung und Prüfung mit sich |
| Spezielle HF- oder Wärmekonstruktion | Funk- oder Leistungsbaugruppe mit nachgewiesenem Materialbedarf | Kann bestimmte elektrische oder thermische Anforderungen erfüllen | Kosten, Fertigungsoptionen und tatsächlicher Nutzen hängen vom Design ab |
Bei flexiblen Verbindungen sollte zwischen einem Leiter unterschieden werden, der während der Installation gebogen wird, und einem, der sich im Betrieb wiederholt bewegt. Altiums Erläuterung zu statischem und dynamischem Flex zeigt, wie wiederholtes Biegen unterschiedliche Anforderungen an Leiter und Lagenaufbau stellt.
Ein Flugcontroller kann beispielsweise sowohl starr als auch HDI sein. Ein ESC ist nicht automatisch eine Leiterplatte mit Metallkern, und eine Funkplatine benötigt nicht automatisch ein Hochfrequenzlaminat. Besprechen Sie die Anforderungen an Belastbarkeit, Verluste, Platz und Zuverlässigkeit mit dem Leiterplattenhersteller, bevor Sie den Lagenaufbau festlegen. Erfahren Sie mehr über die Fertigung starr-flexibler Leiterplatten - oder Fertigung von HDI-Leiterplatten wenn diese Merkmale zum Design passen.
Integrierte Drohnenplatinen im Vergleich zu separaten Modulen
Die Integration verändert nicht nur das Platinenlayout, sondern auch Schnittstellen und Wartungsfreundlichkeit. Betrachten Sie zwei beispielhafte Architekturen; keine davon ist ein vermessenes Design oder eine Empfehlung für jede Drohne.
Beispiel A: kompakte integrierte Baugruppe. Ein kleines Fluggerät kombiniert seinen Flugcontroller und mehrere ESC-Kanäle auf einer Platine. Weniger Verbindungen zwischen Platinen können die Unterbringung vereinfachen. Gleichzeitig muss das Team Wärme und Schaltstörungen in der Nähe des Prozessors und der Sensoren beherrschen. Bei einem Fehler in einem Bereich muss möglicherweise die gesamte kombinierte Baugruppe ausgetauscht werden.
Beispiel B: separate Steuerungs- und Leistungsbaugruppen. Ein anderes Fluggerät verteilt Flugcontroller, ESCs, Stromverteilung und Nutzlastelektronik auf separate Platinen. Das Team kann die Module einzeln positionieren und austauschen, muss jedoch mehr Verbindungen auslegen und sichern. Für jedes Kabel und jeden Steckverbinder ist eine klar definierte elektrische und mechanische Schnittstelle erforderlich.
| Entscheidung | Integrierte Baugruppe | Separate Module |
|---|---|---|
| Verpackung | Weniger separate Baugruppen; dichteres Layout | Mehr Flexibilität bei der Platzierung; mehr Verbindungen |
| Elektrisches und thermisches Design | Empfindliche und leistungsstarke Schaltungen können nahe beieinander liegen | Eine räumliche Trennung ist möglich, doch Kabel können neue Herausforderungen mit sich bringen |
| Reparatur oder Austausch | Eine gemeinsame Platine muss möglicherweise als Ganzes ersetzt werden | Ein einzelnes Modul kann möglicherweise ausgetauscht werden |
| Verifizierung | Wechselwirkungen auf der kombinierten Platine testen | Jedes Modul und seine Schnittstellen als System testen |
Keine der beiden Vorgehensweisen ist automatisch leichter, günstiger oder zuverlässiger. Vergleichen Sie vollständige Baugruppen einschließlich Steckverbindern, Verkabelung, Gehäusen, Kühlung, Wartung und Prüfaufwand.
So wählen und fertigen Sie eine Drohnenplatine
Eine hilfreiche Fertigungsanfrage beschreibt die Anforderungen der konkreten Platine, statt nach einer allgemeinen Drohnenplatine zu fragen. Erarbeiten Sie gemeinsam mit dem Designteam und dem Lieferanten Folgendes:
- Funktion und Einsatzumgebung. Geben Sie die Aufgabe der Baugruppe, die Befestigung, die zu erwartenden Vibrationen, die Temperatureinwirkung und den verfügbaren Platz an.
- Elektrische Lasten. Geben Sie Betriebs- und Spitzenspannung sowie -strom, den erwarteten Tastgrad, empfindliche Signale und etwaige HF- oder Anforderungen an die kontrollierte Impedanz an.
- Leiterplattendesign. Stellen Sie Fertigungsdaten, Anforderungen an den Lagenaufbau, Kupferspezifikationen, Abmessungen, Oberflächenfinish sowie etwaige Flex- oder mechanische Einschränkungen bereit. Bitten Sie um eine Prüfung hinsichtlich der Fertigungsgerechtheit, wenn noch Details ungeklärt sind.
- Informationen zur Bestückung. Stellen Sie die Stückliste, freigegebene Teilenummern und Ersatzteile, Platzierungsdaten, Bestückungszeichnungen, Angaben zur Polarität sowie gegebenenfalls Programmiervorgaben bereit.
- Inspektion und Prüfung. Legen Sie die für das Projekt erforderlichen Prüfungen, Vorrichtungen, Verfahren, Abnahmekriterien und Dokumentationen fest. Unterscheiden Sie die Inspektion der Leiterplatte und der Baugruppe von der Prüfung des vollständigen Fluggeräts.
A Ein Leiterplattenhersteller kann die Anforderungen an die unbestückte Platine prüfen, während Bestückungsdienstleister die Bauteilplatzierung und Bestückungsprüfungen übernehmen können. Bestätigen Sie vor der Bestellung den vorgeschlagenen Prozess und seine Eignung für das jeweilige Design.
Häufige Fehler beim Design und bei der Bestückung von Drohnenplatinen
- Leiterbahnen für die Stromversorgung dimensionieren, ohne die Betriebsbedingungen zu berücksichtigen. Geben Sie Strom, Dauer, Temperaturgrenzen, Kupfergeometrie und Annahmen zur Kühlung an, statt sich auf eine allgemeine Regel zur Leiterbahnbreite zu verlassen.
- Wechselwirkungen zwischen Sensoren und Stromversorgung ignorieren. Prüfen Sie Bauteilplatzierung, Rückstrompfade, Spannungsregelung und mechanische Befestigung gemeinsam, damit störungsbehaftete Lasten empfindliche Messungen nicht beeinträchtigen.
- Den Steckverbinder als nachträglichen Gedanken behandeln. Prüfen Sie Ausrichtung, Verriegelung, Kabelbewegung, Zugang bei der Bestückung und die auf die Platine übertragenen Kräfte.
- Inspektion mit Qualifizierung verwechseln. Bei einer Inspektion können Fertigungsfehler entdeckt werden; sie kann jedoch allein nicht nachweisen, dass ein Fluggerät seine funktionalen, umweltbezogenen oder regulatorischen Anforderungen erfüllt. Legen Sie die für den vorgesehenen Einsatz erforderlichen Systemprüfungen und deren Abnahmekriterien fest.
Häufig gestellten Fragen
Wie viele Leiterplatten hat eine Drohne?
Eine feste Anzahl gibt es nicht. Bei einer kompakten Drohne können Flugsteuerung, Motorsteuerung und Stromversorgung auf einer gemeinsamen Baugruppe untergebracht sein, während ein anderes Design separate Module verwendet. Auch Kamera, Funk, Navigation und Nutzlast variieren je nach Fluggerät.
Sind ein Flugcontroller und ein ESC dieselbe Platine?
Sie erfüllen unterschiedliche Aufgaben. Ein Flugcontroller verarbeitet Messwerte und Befehle, um das Fluggerät zu steuern; ein ESC treibt einen Motor an. Sie können separate Platinen oder in einer gemeinsamen Baugruppe integriert sein.
Verwenden Drohnen flexible Leiterplatten?
Manche schon. Flexible Leiterplatten können Komponenten in beengten Räumen oder beweglichen Baugruppen verbinden, etwa in einem Kameramechanismus. Ob sie geeignet sind, hängt von der Biegegeometrie, der Bewegung, den Materialien und den erwarteten Betriebsbedingungen ab. Nicht jede Drohne benötigt eine flexible Leiterplatte.
Die Platine nach ihrer Aufgabe planen
Gehen Sie von den Funktionen des Fluggeräts aus und entscheiden Sie dann, wie diese auf die Baugruppen verteilt werden. Legen Sie die elektrischen, thermischen, mechanischen und prüftechnischen Anforderungen für jede Platine fest, bevor Sie deren Aufbau auswählen. So erhält der Hersteller genügend Kontext, um das Design zu prüfen, und das Produktteam kann Integrationsvarianten anhand des Gesamtsystems statt allein anhand der Leiterplattenfläche vergleichen.
