Ochrona obwodu nigdy nie będzie końcem rozwoju elektroniki

Ochrona obwodu jest jak ubezpieczenie; w najlepszym razie można to uznać za refleksję, a nawet po zainstalowaniu na miejscu często nie wystarcza. Podczas gdy niedoinwestowanie w ubezpieczenie może zagrozić stabilnemu funkcjonowaniu firmy, nieodpowiednia ochrona obwodów może prowadzić do poważniejszych konsekwencji, takich jak utrata życia.

Ilustrujemy znaczenie ochrony obwodu w przypadku lotu 111 Szwajcarii, który odleciał od Jana F. Międzynarodowe lotnisko Kennedy'ego w Nowym Jorku 2 września 1998 r. Lot był obsługiwany przez 7-letniego McDonnell Douglas md-11, który niedawno zmodernizował swój system rozrywki podczas lotu (IFE). Dym z 52 minut po wystartowaniu, kokpit nagle, a załoga natychmiast ogłosiła stan reagowania awaryjnego i próbowała na przemian z halifaxem, lotniskiem, ale z powodu elektrycznego kabla sterującego sufitu w kokpicie ogień wypalił się spod kontroli i rozbił się na 8 km morza od wybrzeża Nowej Szkocji, zabijając wszystkich 215 pasażerów i 14 członków załogi.

Badanie zderzeniowe wykazało, że materiały zastosowane w jednej sekcji nowego IFE były główną przyczyną awarii oraz że materiały, które miały być ognioodporne, spaliły się i rozprzestrzeniły na krytyczne linie kontrolne. Chociaż nie można tego stwierdzić z całą pewnością, zakłada się, że przyczyną pożaru był łuk elektryczny między drutami IFE. Chociaż przewody te są wyposażone w wyłączniki, nie wyzwalają się z powodu wyładowań łukowych. Jest to prawdziwy przypadek 229 zgonów spowodowanych nieodpowiednią ochroną obwodu. Takie obwody są teraz wyposażone w zabezpieczenia wykrywające zwarcie łukowe, które uruchamiają się po wykryciu łuku (nie licząc łuku wytwarzanego przez normalne operacje, takie jak naciśnięcie przełącznika).

USB-pd niesie większe niebezpieczeństwo

Chociaż szwajcarski MD-11 jest spowodowany raczej awarią elektryczną niż elektroniczną, ale teraz coraz więcej obwodów wystarcza do wytworzenia łuku (i może zagrozić pożarem życia) napięcia i prądu, takich jak modernizacja zasilacza USB (USB - PD), może obsługiwać do 20 V i 5 A (maksymalna moc 100 w) wysokiego napięcia i prądu. W porównaniu z napięciem 5 V i prądem 3 A (15 W) USB typu c, aktualizacja usb-pd jest dużym ulepszeniem, ale także znacznie zwiększa ryzyko.

Oprócz ryzyka związanego z wysokim napięciem i prądem, usb-pd może powodować inne problemy, gdy jest używany ze złączami i kablami USB typu c. Wynika to z faktu, że odległość między pinami złącza USB typu c wynosi tylko 0,5 mm, co stanowi jedną piątą złączy typu A i typu B, zwiększając w ten sposób ryzyko zwarcia A z powodu niewielkiego odkształcenia złącza podczas wstawianie lub usuwanie. Zanieczyszczenia gromadzące się wewnątrz złącza mogą mieć podobny efekt. Ponadto popularność USB typu c doprowadziła również do znacznego rozwoju kabli, chociaż wiele kabli wciąż nie jest w stanie przenosić 100 W mocy, ale nie są one zidentyfikowane. Jednak te znaki nie gwarantują bezpieczeństwa; Jeśli konsument chce użyć nieokreślonego kabla, można go również podłączyć do gniazda USB-PD tak łatwo, jak kwalifikowanego kabla.

Łuki nie są jedynym zagrożeniem, gdy usb-pd jest używany przy wysokich napięciach i prądach. Ponieważ styk zasilania głównej magistrali znajduje się bardzo blisko innych styków złącza, zwarcie może łatwo narazić elektronikę znajdującą się za urządzeniem na skok napięcia, taki jak napięcie zwarcia 20 V, które może spowodować awarię. Na przykład indukcyjność kabla USB o długości jednego metra może „oscylować”, powodując, że napięcie szczytowe jest znacznie wyższe niż napięcie zwarcia 20 V (czasami dwa razy wyższe). W niektórych zastosowaniach awaria urządzeń końcowych, na którą wpływ ma przepięcie, może powodować problemy z bezpieczeństwem, ponieważ te urządzenia, które są powszechnie używane do kontrolowania maksymalnego prądu roboczego i napięcia kabli, są najbardziej narażone na uszkodzenia.

Pełna ochrona obwodu

Usb-pd może wytwarzać łuki lub uszkodzić komponenty, gdy pracuje przy najwyższym prądzie znamionowym i napięciu, więc nie można powiedzieć, że obwód ochronny jest całkowicie bezużyteczny. W aplikacjach, w których często używany jest tryb maksymalnej mocy usb-pd, na przykład podczas ładowania akumulatora komputera przenośnego, należy zapewnić pełne zabezpieczenie obwodu.

Diody chwilowego tłumienia napięcia (TVS) zainstalowane między stykiem a masą gniazda USB typu c są stosunkowo prostym i niedrogim zabezpieczeniem obwodu. W przypadku przejściowego zwarcia dioda TVS „ściska” napięcie szczytowe do poziomu, który wytrzyma podłączona część. Chociaż diody TVS zapewniają dobrą ochronę przed stanami nieustalonymi, nie są idealne do ciągłych zdarzeń przepięcia. Aby rozwiązać te problemy, wymagany jest dodatkowy obwód, podobny do zabezpieczenia przeciwprzepięciowego, sparowany z M-kanałowym MOSFET. Podczas ciągłego zdarzenia przepięcia, osłona wyzwala nMOSFET w celu odłączenia obciążenia od wejścia, zapobiegając w ten sposób przeciążeniu podłączonego urządzenia za urządzeniem. Ale diody TVS, osłony i nmosfety nadal nie są w stanie wytrzymać wszystkich sytuacji przepięcia; Czasami występują zwarcia wokół kabli USB. W tym przypadku indukcyjność gniazda jest bardzo niska, co powoduje wzrost napięcia szybciej niż prędkość odpowiedzi urządzenia zabezpieczającego i nMOSFET, dzięki czemu można zastosować więcej urządzeń zaciskających, aby wydłużyć czas wzrostu napięcia, dzięki czemu urządzenie zabezpieczające ma wystarczającą ilość czas odciąć.

Kompleksowa ochrona wirtualnie zwiększa koszty i złożoność aplikacji USB-PD, ale można tego uniknąć, wybierając odpowiednie komponenty. Producenci zaczynają teraz oferować zintegrowane urządzenia, które integrują diody TVS, ochronę i zaciski w jednym pakiecie (nMOSFET jest zwykle przechowywany jako dyskretny układ), oszczędzając pieniądze i miejsce, jednocześnie upraszczając konstrukcję ochrony USB-PD.

wniosek

Circuit protection will never be the end of electronics development. However, solution development engineers need to have the knowledge to take appropriate protective measures to prevent material damage and prevent people from injury or even death. Ochrona obwodu jest jak ubezpieczenie; w najlepszym razie można to uznać za refleksję, a nawet po zainstalowaniu na miejscu często nie wystarcza. Podczas gdy niedoinwestowanie w ubezpieczenie może zagrozić stabilnemu funkcjonowaniu firmy, nieodpowiednia ochrona obwodów może prowadzić do poważniejszych konsekwencji, takich jak utrata życia.


Ilustrujemy znaczenie ochrony obwodu w przypadku lotu 111 Szwajcarii, który odleciał od Jana F. Międzynarodowe lotnisko Kennedy'ego w Nowym Jorku 2 września 1998 r. Lot był obsługiwany przez 7-letniego McDonnell Douglas md-11, który niedawno zmodernizował swój system rozrywki podczas lotu (IFE). Dym z 52 minut po wystartowaniu, kokpit nagle, a załoga natychmiast ogłosiła stan reagowania awaryjnego i próbowała na przemian z halifaxem, lotniskiem, ale z powodu elektrycznego kabla sterującego sufitu w kokpicie ogień wypalił się spod kontroli i rozbił się na 8 km morza od wybrzeża Nowej Szkocji, zabijając wszystkich 215 pasażerów i 14 członków załogi.

Badanie zderzeniowe wykazało, że materiały zastosowane w jednej sekcji nowego IFE były główną przyczyną awarii oraz że materiały, które miały być ognioodporne, spaliły się i rozprzestrzeniły na krytyczne linie kontrolne. Chociaż nie można tego stwierdzić z całą pewnością, zakłada się, że przyczyną pożaru był łuk elektryczny między drutami IFE. Chociaż przewody te są wyposażone w wyłączniki, nie wyzwalają się z powodu wyładowań łukowych. Jest to prawdziwy przypadek 229 zgonów spowodowanych nieodpowiednią ochroną obwodu. Takie obwody są teraz wyposażone w zabezpieczenia wykrywające zwarcie łukowe, które uruchamiają się po wykryciu łuku (nie licząc łuku wytwarzanego przez normalne operacje, takie jak naciśnięcie przełącznika).

USB-pd niesie większe niebezpieczeństwo

Chociaż szwajcarski MD-11 jest spowodowany raczej awarią elektryczną niż elektroniczną, ale teraz coraz więcej obwodów wystarcza do wytworzenia łuku (i może zagrozić pożarem życia) napięcia i prądu, takich jak modernizacja zasilacza USB (USB - PD), może obsługiwać do 20 V i 5 A (maksymalna moc 100 w) wysokiego napięcia i prądu. W porównaniu z napięciem 5 V i prądem 3 A (15 W) USB typu c, aktualizacja usb-pd jest dużym ulepszeniem, ale także znacznie zwiększa ryzyko.

Oprócz ryzyka związanego z wysokim napięciem i prądem, usb-pd może powodować inne problemy, gdy jest używany ze złączami i kablami USB typu c. Wynika to z faktu, że odległość między pinami złącza USB typu c wynosi tylko 0,5 mm, co stanowi jedną piątą złączy typu A i typu B, zwiększając w ten sposób ryzyko zwarcia A z powodu niewielkiego odkształcenia złącza podczas wstawianie lub usuwanie. Zanieczyszczenia gromadzące się wewnątrz złącza mogą mieć podobny efekt. Ponadto popularność USB typu c doprowadziła również do znacznego rozwoju kabli, chociaż wiele kabli wciąż nie jest w stanie przenosić 100 W mocy, ale nie są one zidentyfikowane. Jednak te znaki nie gwarantują bezpieczeństwa; Jeśli konsument chce użyć nieokreślonego kabla, można go również podłączyć do gniazda USB-PD tak łatwo, jak kwalifikowanego kabla.

Łuki nie są jedynym zagrożeniem, gdy usb-pd jest używany przy wysokich napięciach i prądach. Ponieważ styk zasilania głównej magistrali znajduje się bardzo blisko innych styków złącza, zwarcie może łatwo narazić elektronikę znajdującą się za urządzeniem na skok napięcia, taki jak napięcie zwarcia 20 V, które może spowodować awarię. Na przykład indukcyjność kabla USB o długości jednego metra może „oscylować”, powodując, że napięcie szczytowe jest znacznie wyższe niż napięcie zwarcia 20 V (czasami dwa razy wyższe). W niektórych zastosowaniach awaria urządzeń końcowych, na którą wpływ ma przepięcie, może powodować problemy z bezpieczeństwem, ponieważ te urządzenia, które są powszechnie używane do kontrolowania maksymalnego prądu roboczego i napięcia kabli, są najbardziej narażone na uszkodzenia.

Pełna ochrona obwodu

Usb-pd może wytwarzać łuki lub uszkodzić komponenty, gdy pracuje przy najwyższym prądzie znamionowym i napięciu, więc nie można powiedzieć, że obwód ochronny jest całkowicie bezużyteczny. W aplikacjach, w których często używany jest tryb maksymalnej mocy usb-pd, na przykład podczas ładowania akumulatora komputera przenośnego, należy zapewnić pełne zabezpieczenie obwodu.

Diody chwilowego tłumienia napięcia (TVS) zainstalowane między stykiem a masą gniazda USB typu c są stosunkowo prostym i niedrogim zabezpieczeniem obwodu. W przypadku przejściowego zwarcia dioda TVS „ściska” napięcie szczytowe do poziomu, który wytrzyma podłączona część. Chociaż diody TVS zapewniają dobrą ochronę przed stanami nieustalonymi, nie są idealne do ciągłych zdarzeń przepięcia. Aby rozwiązać te problemy, wymagany jest dodatkowy obwód, podobny do zabezpieczenia przeciwprzepięciowego, sparowany z M-kanałowym MOSFET. Podczas ciągłego zdarzenia przepięcia, osłona wyzwala nMOSFET w celu odłączenia obciążenia od wejścia, zapobiegając w ten sposób przeciążeniu podłączonego urządzenia za urządzeniem. Ale diody TVS, osłony i nmosfety nadal nie są w stanie wytrzymać wszystkich sytuacji przepięcia; Czasami występują zwarcia wokół kabli USB. W tym przypadku indukcyjność gniazda jest bardzo niska, co powoduje wzrost napięcia szybciej niż prędkość odpowiedzi urządzenia zabezpieczającego i nMOSFET, dzięki czemu można zastosować więcej urządzeń zaciskających, aby wydłużyć czas wzrostu napięcia, dzięki czemu urządzenie zabezpieczające ma wystarczającą ilość czas odciąć.

Kompleksowa ochrona wirtualnie zwiększa koszty i złożoność aplikacji USB-PD, ale można tego uniknąć, wybierając odpowiednie komponenty. Producenci zaczynają teraz oferować zintegrowane urządzenia, które integrują diody TVS, ochronę i zaciski w jednym pakiecie (nMOSFET jest zwykle przechowywany jako dyskretny układ), oszczędzając pieniądze i miejsce, jednocześnie upraszczając konstrukcję ochrony USB-PD.