Protecția circuitului nu va fi niciodată sfârșitul dezvoltării electronice

Protecția circuitului este ca o asigurare; în cel mai bun caz, poate fi văzută ca o gândire ulterioară și chiar dacă este instalată în loc, de multe ori nu este suficientă. În timp ce subinvestirea în asigurare poate amenința funcționarea stabilă a unei afaceri, protecția inadecvată a circuitului poate duce la consecințe mai grave, cum ar fi pierderea de vieți.

Arătăm importanța protecției circuitului în cazul zborului 111 Swissair, care a plecat de la Ioan f. Aeroportul internațional Kennedy din New York la 2 septembrie 1998. Zborul a fost operat de către McDonnell Douglas md-11, în vârstă de 7 ani, care și-a modernizat recent sistemul de divertisment în zbor (IFE). Fum de la 52 de minute de la decolare, cabina de pilotaj brusc, iar echipajul a declarat imediat starea de răspuns de urgență și a încercat să alterneze la halifax, aeroportul, dar din cauza plafonului cabinei de cablu electric de control a provocat incendiul a ars de sub control și s-a prăbușit. în 8 km de mare de pe coasta Nova Scotia, ucigând toți cei 215 de pasageri și 14 membri ai echipajului.

Ancheta de la accident a constatat că materialele utilizate într-o secțiune a noului IFE au fost cauza principală a accidentului și că materialele, care trebuiau să fie ignifuge, au ars și s-au răspândit la liniile de control critice. Deși este imposibil de spus cu siguranță, se presupune că arcul electric dintre firele IFE a fost cauza incendiului. Deși aceste fire sunt prevăzute cu întrerupătoare de circuit, acestea nu se declanșează din cauza arcului. Acesta este un caz adevărat de 229 de decese cauzate de protecția inadecvată a circuitului. Astfel de circuite sunt acum echipate cu protecții de detectare a defecțiunilor arcului pentru a declanșa un arc (nu include arcul produs prin operații normale, cum ar fi apăsarea unui întrerupător).

Usb-pd aduce mai mult pericol

Deși MD-11 elvețian este cauzat de defecțiuni electrice, mai degrabă decât defecțiuni electronice, însă acum tot mai multe circuite sunt suficiente pentru a produce arc (și poate pune în pericol incendiul vieții) de tensiune și curent, cum ar fi actualizarea sursei de alimentare USB (USB - PD), poate suporta până la 20 v și 5 a (putere maximă de 100 w) de înaltă tensiune și curent. În comparație cu tensiunea de 5V și curentul 3A (15W) de tip USB-c, actualizarea usb-pd este o îmbunătățire mare, dar crește foarte mult și posibilitatea de pericol.

Pe lângă riscurile asociate cu tensiunea și curentul ridicat, usb-pd poate provoca alte probleme atunci când este utilizat cu conectori și cabluri USB de tip c. Acest lucru se datorează faptului că distanța de pin a conectorului USB tip-c este de numai 0,5 mm, o cincime din cea a conectorilor de tip a și tip-b, crescând astfel riscul de scurtcircuit din cauza ușoarei distorsiuni a conectorului în timpul introducerea sau îndepărtarea. Impuritățile care se acumulează în conector pot avea un efect similar. În plus, popularitatea USB-c-tip a dus, de asemenea, la dezvoltarea semnificativă a cablurilor, deși multe cabluri nu sunt în măsură să poarte 100 W de putere, dar nu sunt identificate. Cu toate acestea, aceste semne nu garantează securitatea; Dacă consumatorul dorește să utilizeze un cablu nespecificat, acesta poate fi de asemenea conectat la o priză usb-pd la fel de ușor ca un cablu calificat.

Arcurile nu sunt singurul pericol atunci când usb-pd este utilizat la tensiuni și curenți mari. Deoarece pinul principal de alimentare al autobuzului este foarte aproape de ceilalți pini ai conectorului, un scurtcircuit poate expune cu ușurință electronica din aval la o supratensiune, cum ar fi o tensiune de scurtcircuit de 20V, care poate provoca o defecțiune. De exemplu, inductanța unui cablu USB lung de un metru poate „oscila”, determinând tensiunea de vârf să fie mult mai mare decât tensiunea de scurtcircuit de 20V (uneori de două ori mai mare). Pentru unele aplicații, defecțiunea echipamentelor din aval care este afectată de supratensiune poate cauza probleme de siguranță, deoarece acele dispozitive care sunt utilizate în mod obișnuit pentru a controla curentul maxim de funcționare și tensiunea cablurilor sunt cele mai vulnerabile la daune.

Protecție completă la circuit

Usb-pd poate produce arcuri sau componente de avarie atunci când rulează la curentul și tensiunea nominală cele mai ridicate, deci nu se poate spune că circuitul de protecție este complet inutil. În aplicațiile în care modul de putere maximă usb-pd este frecvent utilizat, de exemplu la încărcarea unei baterii portabile a calculatorului, trebuie asigurată protecția completă a circuitului.

Diodele de supresie a tensiunii tranzitorii (TVS) instalate între pinul și pământul unei prize USB de tip c sunt relativ simple și protejează circuitul ieftin. În cazul unui scurtcircuit tranzitoriu, dioda TVS „prinde” tensiunea de vârf până la un nivel pe care îl poate suporta partea conectată. În timp ce diodele TVS oferă o bună protecție tranzitorie, acestea nu sunt ideale pentru evenimente de supratensiune continuă. Pentru a rezolva aceste probleme, este necesar un circuit suplimentar, similar cu protecția la supratensiune, asociat cu un MOSFET cu canal n. În timpul unui eveniment de supratensiune continuă, dispozitivul de protecție declanșează nMOSFET pentru a deconecta sarcina de la intrare, împiedicând astfel supraîncărcarea dispozitivului conectat în aval. Dar diodele TV, paznicii și nmosfets-urile încă nu pot suporta toate situațiile de supratensiune; Ocazional, apar scurtcircuite în jurul cablurilor USB. În acest caz, inductanța prizei este foarte mică, ceea ce face ca tensiunea să crească mai repede decât viteza de răspuns a dispozitivului de protecție și nMOSFET, astfel încât mai multe dispozitive de prindere pot fi utilizate pentru a prelungi timpul de creștere a tensiunii, astfel încât dispozitivul de protecție să aibă suficient timp pentru a tăia.

Protecția cuprinzătoare crește practic costurile și complexitatea aplicațiilor usb-pd, dar acest lucru poate fi evitat prin selectarea componentelor potrivite. Producătorii încep acum să ofere dispozitive integrate care integrează diode TVS, protecție și cleme într-un singur pachet (nMOSFET este de obicei păstrat ca un cip discret), economisind bani și spațiu, simplificând în același timp designul de protecție usb-pd.

concluzie

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. Protecția circuitului este ca o asigurare; în cel mai bun caz, poate fi văzută ca o gândire ulterioară și chiar dacă este instalată în loc, de multe ori nu este suficientă. În timp ce subinvestirea în asigurare poate amenința funcționarea stabilă a unei afaceri, protecția inadecvată a circuitului poate duce la consecințe mai grave, cum ar fi pierderea de vieți.


Arătăm importanța protecției circuitului în cazul zborului 111 Swissair, care a plecat de la Ioan f. Aeroportul internațional Kennedy din New York la 2 septembrie 1998. Zborul a fost operat de către McDonnell Douglas md-11, în vârstă de 7 ani, care și-a modernizat recent sistemul de divertisment în zbor (IFE). Fum de la 52 de minute de la decolare, cabina de pilotaj brusc, iar echipajul a declarat imediat starea de răspuns de urgență și a încercat să alterneze la halifax, aeroportul, dar din cauza plafonului cabinei de cablu electric de control a provocat incendiul a ars de sub control și s-a prăbușit. în 8 km de mare de pe coasta Nova Scotia, ucigând toți cei 215 de pasageri și 14 membri ai echipajului.

Ancheta de la accident a constatat că materialele utilizate într-o secțiune a noului IFE au fost cauza principală a accidentului și că materialele, care trebuiau să fie ignifuge, au ars și s-au răspândit la liniile de control critice. Deși este imposibil de spus cu siguranță, se presupune că arcul electric dintre firele IFE a fost cauza incendiului. Deși aceste fire sunt prevăzute cu întrerupătoare de circuit, acestea nu se declanșează din cauza arcului. Acesta este un caz adevărat de 229 de decese cauzate de protecția inadecvată a circuitului. Astfel de circuite sunt acum echipate cu protecții de detectare a defecțiunilor arcului pentru a declanșa un arc (nu include arcul produs prin operații normale, cum ar fi apăsarea unui întrerupător).

Usb-pd aduce mai mult pericol

Deși MD-11 elvețian este cauzat de defecțiuni electrice, mai degrabă decât defecțiuni electronice, însă acum tot mai multe circuite sunt suficiente pentru a produce arc (și poate pune în pericol incendiul vieții) de tensiune și curent, cum ar fi actualizarea sursei de alimentare USB (USB - PD), poate suporta până la 20 v și 5 a (putere maximă de 100 w) de înaltă tensiune și curent. În comparație cu tensiunea de 5V și curentul 3A (15W) de tip USB-c, actualizarea usb-pd este o îmbunătățire mare, dar crește foarte mult și posibilitatea de pericol.

Pe lângă riscurile asociate cu tensiunea și curentul ridicat, usb-pd poate provoca alte probleme atunci când este utilizat cu conectori și cabluri USB de tip c. Acest lucru se datorează faptului că distanța de pin a conectorului USB tip-c este de numai 0,5 mm, o cincime din cea a conectorilor de tip a și tip-b, crescând astfel riscul de scurtcircuit din cauza ușoarei distorsiuni a conectorului în timpul introducerea sau îndepărtarea. Impuritățile care se acumulează în conector pot avea un efect similar. În plus, popularitatea USB-c-tip a dus, de asemenea, la dezvoltarea semnificativă a cablurilor, deși multe cabluri nu sunt în măsură să poarte 100 W de putere, dar nu sunt identificate. Cu toate acestea, aceste semne nu garantează securitatea; Dacă consumatorul dorește să utilizeze un cablu nespecificat, acesta poate fi de asemenea conectat la o priză usb-pd la fel de ușor ca un cablu calificat.

Arcurile nu sunt singurul pericol atunci când usb-pd este utilizat la tensiuni și curenți mari. Deoarece pinul principal de alimentare al autobuzului este foarte aproape de ceilalți pini ai conectorului, un scurtcircuit poate expune cu ușurință electronica din aval la o supratensiune, cum ar fi o tensiune de scurtcircuit de 20V, care poate provoca o defecțiune. De exemplu, inductanța unui cablu USB lung de un metru poate „oscila”, determinând tensiunea de vârf să fie mult mai mare decât tensiunea de scurtcircuit de 20V (uneori de două ori mai mare). Pentru unele aplicații, defecțiunea echipamentelor din aval care este afectată de supratensiune poate cauza probleme de siguranță, deoarece acele dispozitive care sunt utilizate în mod obișnuit pentru a controla curentul maxim de funcționare și tensiunea cablurilor sunt cele mai vulnerabile la daune.

Protecție completă la circuit

Usb-pd poate produce arcuri sau componente de avarie atunci când rulează la curentul și tensiunea nominală cele mai ridicate, deci nu se poate spune că circuitul de protecție este complet inutil. În aplicațiile în care modul de putere maximă usb-pd este frecvent utilizat, de exemplu la încărcarea unei baterii portabile a calculatorului, trebuie asigurată protecția completă a circuitului.

Diodele de supresie a tensiunii tranzitorii (TVS) instalate între pinul și pământul unei prize USB de tip c sunt relativ simple și protejează circuitul ieftin. În cazul unui scurtcircuit tranzitoriu, dioda TVS „prinde” tensiunea de vârf până la un nivel pe care îl poate suporta partea conectată. În timp ce diodele TVS oferă o bună protecție tranzitorie, acestea nu sunt ideale pentru evenimente de supratensiune continuă. Pentru a rezolva aceste probleme, este necesar un circuit suplimentar, similar cu protecția la supratensiune, asociat cu un MOSFET cu canal n. În timpul unui eveniment de supratensiune continuă, dispozitivul de protecție declanșează nMOSFET pentru a deconecta sarcina de la intrare, împiedicând astfel supraîncărcarea dispozitivului conectat în aval. Dar diodele TV, paznicii și nmosfets-urile încă nu pot suporta toate situațiile de supratensiune; Ocazional, apar scurtcircuite în jurul cablurilor USB. În acest caz, inductanța prizei este foarte mică, ceea ce face ca tensiunea să crească mai repede decât viteza de răspuns a dispozitivului de protecție și nMOSFET, astfel încât mai multe dispozitive de prindere pot fi utilizate pentru a prelungi timpul de creștere a tensiunii, astfel încât dispozitivul de protecție să aibă suficient timp pentru a tăia.

Protecția cuprinzătoare crește practic costurile și complexitatea aplicațiilor usb-pd, dar acest lucru poate fi evitat prin selectarea componentelor potrivite. Producătorii încep acum să ofere dispozitive integrate care integrează diode TVS, protecție și cleme într-un singur pachet (nMOSFET este de obicei păstrat ca un cip discret), economisind bani și spațiu, simplificând în același timp designul de protecție usb-pd.