Ochrana obvodov nikdy nebude na konci vývoja elektroniky

Ochrana obvodov je ako poistenie; v najlepšom prípade sa môže považovať za dodatočnú myšlienku a aj keď je nainštalovaná na mieste, často nestačí. Zatiaľ čo nedostatočné investovanie do poistenia môže ohroziť stabilné fungovanie podniku, nedostatočná ochrana okruhu môže viesť k vážnejším následkom, ako je strata na životoch.

Znázorňujeme dôležitosť ochrany okruhu v prípade letu 111 pre swissairov, ktorý sa odchýlil od Johna f. Medzinárodné letisko Kennedy v New Yorku 2. septembra 1998. Let bol prevádzkovaný 7-ročným McDonnell Douglas md-11, ktorý nedávno vylepšil svoj systém zábavy počas letu (IFE). Po 52 minútach od vzletu dym z kokpitu náhle a posádka okamžite vyhlásili stav mimoriadnej reakcie a pokúsili sa striedať s halifaxom, letisko, ale kvôli elektrickému ovládaciemu káblu na strope v kabíne spôsobil oheň mimo kontroly a havaroval v 8 km mora od pobrežia nova scotia, pri ktorom zahynulo všetkých 215 cestujúcich a 14 členov posádky.

Pri vyšetrovaní havárie sa zistilo, že materiály použité v jednej časti nového IFE boli hlavnou príčinou havárie a že materiály, ktoré mali byť ohňovzdorné, vyhoreli a šírili sa na kritické kontrolné čiary. Aj keď nie je možné s istotou povedať, predpokladá sa, že príčinou požiaru bol elektrický oblúk medzi vodičmi IFE. Aj keď sú tieto vodiče vybavené ističmi, nedochádza k ich vypnutiu kvôli oblúku. Toto je skutočný prípad 229 úmrtí spôsobených nedostatočnou ochranou obvodu. Takéto obvody sú teraz vybavené ochranou na detekciu poruchy oblúka, aby sa dalo spustiť, keď sa zaznamená oblúk (okrem oblúka vzniknutého pri bežných operáciách, ako je stlačenie spínača).

Usb-pd prináša väčšie nebezpečenstvo

Hoci je švajčiarsky MD-11 skôr spôsobený elektrickým zlyhaním než elektronickým zlyhaním, stále viac a viac obvodov je dosť na to, aby vytvárali elektrický oblúk (a môžu ohroziť životný život) napätia a prúdu, ako je napríklad aktualizácia napájacieho zdroja USB. (USB - PD), dokáže podporovať až 20 V a 5 a (maximálny výkon 100 W) vysokého napätia a prúdu. V porovnaní s 5 V napätím a 3 A prúdom (15 W) USB typu-c je aktualizácia usb-pd veľkým zlepšením, ale tiež výrazne zvyšuje možnosť nebezpečenstva.

Okrem rizík spojených s vysokým napätím a prúdom môže USB-pd spôsobiť ďalšie problémy pri použití s ​​konektormi a káblami typu USB. Je to z toho dôvodu, že rozstup pinov konektora USB typu c je iba 0,5 mm, jedna pätina rozostupu konektorov typu a a typu b, čím sa zvyšuje riziko skratu spôsobeného malým skreslením konektora počas vkladanie alebo vyberanie. Nečistoty, ktoré sa hromadia vo vnútri konektora, môžu mať podobný účinok. Popularita USB typu c viedla tiež k významnému vývoju káblov, hoci veľa káblov stále nie je schopných prenášať 100 W energie, ale nie sú identifikované. Tieto znaky však nezaručujú bezpečnosť; Ak chce spotrebiteľ použiť nešpecifikovaný kábel, môže sa tiež ľahko pripojiť k zásuvke usb-pd rovnako ľahko ako kvalifikovaný kábel.

Oblúky nie sú jediným nebezpečenstvom, keď sa usb-pd používa pri vysokých napätiach a prúdoch. Pretože napájací kolík hlavnej zbernice je veľmi blízko k ostatným kolíkom konektora, skrat môže ľahko vystaviť elektroniku po prúde silnému prepätiu, napríklad 20 V skratovému napätiu, ktoré môže spôsobiť poruchu. Napríklad indukčnosť jedného metra dlhého USB kábla sa môže „kmitať“, čo spôsobuje, že špičkové napätie je oveľa vyššie ako skratové napätie 20 V (niekedy dvakrát vyššie). Pri niektorých aplikáciách môže zlyhanie následného zariadenia, ktoré je ovplyvnené prepätím, spôsobiť bezpečnostné problémy, pretože zariadenia, ktoré sa bežne používajú na riadenie maximálneho prevádzkového prúdu a napätia káblov, sú najviac zraniteľné.

Ochrana celého obvodu

Usb-pd môže vytvárať oblúky alebo poškodiť komponenty pri prevádzke na najvyššom menovitom prúde a napätí, takže nie je možné povedať, že ochranný obvod je úplne zbytočný. V aplikáciách, kde sa často používa režim maximálneho výkonu usb-pd, napríklad pri nabíjaní batérie prenosného počítača, musí byť zabezpečená plná ochrana obvodu.

Diódy s prechodným napätím (TVS) inštalované medzi kolíkom a zemou zásuvky typu USB typu C sú relatívne jednoduchou a lacnou ochranou obvodu. V prípade prechodného skratu „dióda“ TVS „zovrie“ špičkové napätie na úroveň, ktorú vydrží pripojená časť. Zatiaľ čo diódy TVS poskytujú dobrú prechodnú ochranu, nie sú ideálne pre nepretržité prepäťové udalosti. Na vyriešenie týchto problémov je potrebný ďalší obvod, podobný prepäťovej ochrane, spárovaný s n-kanálovým MOSFETom. Počas nepretržitého prepätia aktivuje ochranný kryt nMOSFET, aby odpojil záťaž od vstupu, čím zabráni preťaženiu pripojeného zariadenia na výstupe. Diódy, strážcovia a nmosfety TVS však stále nedokážu odolať všetkým situáciám prepätia; Okolo káblov USB sa občas vyskytujú skraty. V tomto prípade je indukčnosť pätice veľmi nízka, čím sa zvyšuje napätie rýchlejšie ako rýchlosť odozvy ochranného zariadenia a nMOSFET, takže na predĺženie doby nárastu napätia sa môže použiť viac upínacích zariadení, takže ochranné zariadenie má dostatok čas prerušiť.

Komplexná ochrana prakticky zvyšuje náklady a zložitosť aplikácií usb-pd, tomu sa však dá vyhnúť výberom správnych komponentov. Výrobcovia teraz začínajú ponúkať integrované zariadenia, ktoré integrujú TVS diódy, ochranu a svorky do jedného balíka (nMOSFET sa zvyčajne uchováva ako diskrétny čip), čím šetria peniaze a priestor a zároveň zjednodušujú dizajn ochrany USB-Pd.

záver

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. Ochrana obvodov je ako poistenie; v najlepšom prípade sa môže považovať za dodatočnú myšlienku a aj keď je nainštalovaná na mieste, často nestačí. Zatiaľ čo nedostatočné investovanie do poistenia môže ohroziť stabilné fungovanie podniku, nedostatočná ochrana okruhu môže viesť k vážnejším následkom, ako je strata na životoch.


Znázorňujeme dôležitosť ochrany okruhu v prípade letu 111 pre swissairov, ktorý sa odchýlil od Johna f. Medzinárodné letisko Kennedy v New Yorku 2. septembra 1998. Let bol prevádzkovaný 7-ročným McDonnell Douglas md-11, ktorý nedávno vylepšil svoj systém zábavy počas letu (IFE). Po 52 minútach od vzletu dym z kokpitu náhle a posádka okamžite vyhlásili stav mimoriadnej reakcie a pokúsili sa striedať s halifaxom, letisko, ale kvôli elektrickému ovládaciemu káblu na strope v kabíne spôsobil oheň mimo kontroly a havaroval v 8 km mora od pobrežia nova scotia, pri ktorom zahynulo všetkých 215 cestujúcich a 14 členov posádky.

Pri vyšetrovaní havárie sa zistilo, že materiály použité v jednej časti nového IFE boli hlavnou príčinou havárie a že materiály, ktoré mali byť ohňovzdorné, vyhoreli a šírili sa na kritické kontrolné čiary. Aj keď nie je možné s istotou povedať, predpokladá sa, že príčinou požiaru bol elektrický oblúk medzi vodičmi IFE. Aj keď sú tieto vodiče vybavené ističmi, nedochádza k ich vypnutiu kvôli oblúku. Toto je skutočný prípad 229 úmrtí spôsobených nedostatočnou ochranou obvodu. Takéto obvody sú teraz vybavené ochranou na detekciu poruchy oblúka, aby sa dalo spustiť, keď sa zaznamená oblúk (okrem oblúka vzniknutého pri bežných operáciách, ako je stlačenie spínača).

Usb-pd prináša väčšie nebezpečenstvo

Hoci je švajčiarsky MD-11 skôr spôsobený elektrickým zlyhaním než elektronickým zlyhaním, stále viac a viac obvodov je dosť na to, aby vytvárali elektrický oblúk (a môžu ohroziť životný život) napätia a prúdu, ako je napríklad aktualizácia napájacieho zdroja USB. (USB - PD), dokáže podporovať až 20 V a 5 a (maximálny výkon 100 W) vysokého napätia a prúdu. V porovnaní s 5 V napätím a 3 A prúdom (15 W) USB typu-c je aktualizácia usb-pd veľkým zlepšením, ale tiež výrazne zvyšuje možnosť nebezpečenstva.

Okrem rizík spojených s vysokým napätím a prúdom môže USB-pd spôsobiť ďalšie problémy pri použití s ​​konektormi a káblami typu USB. Je to z toho dôvodu, že rozstup pinov konektora USB typu c je iba 0,5 mm, jedna pätina rozostupu konektorov typu a a typu b, čím sa zvyšuje riziko skratu spôsobeného malým skreslením konektora počas vkladanie alebo vyberanie. Nečistoty, ktoré sa hromadia vo vnútri konektora, môžu mať podobný účinok. Popularita USB typu c viedla tiež k významnému vývoju káblov, hoci veľa káblov stále nie je schopných prenášať 100 W energie, ale nie sú identifikované. Tieto znaky však nezaručujú bezpečnosť; Ak chce spotrebiteľ použiť nešpecifikovaný kábel, môže sa tiež ľahko pripojiť k zásuvke usb-pd rovnako ľahko ako kvalifikovaný kábel.

Oblúky nie sú jediným nebezpečenstvom, keď sa usb-pd používa pri vysokých napätiach a prúdoch. Pretože napájací kolík hlavnej zbernice je veľmi blízko k ostatným kolíkom konektora, skrat môže ľahko vystaviť elektroniku po prúde silnému prepätiu, napríklad 20 V skratovému napätiu, ktoré môže spôsobiť poruchu. Napríklad indukčnosť jedného metra dlhého USB kábla sa môže „kmitať“, čo spôsobuje, že špičkové napätie je oveľa vyššie ako skratové napätie 20 V (niekedy dvakrát vyššie). Pri niektorých aplikáciách môže zlyhanie následného zariadenia, ktoré je ovplyvnené prepätím, spôsobiť bezpečnostné problémy, pretože zariadenia, ktoré sa bežne používajú na riadenie maximálneho prevádzkového prúdu a napätia káblov, sú najviac zraniteľné.

Ochrana celého obvodu

Usb-pd môže vytvárať oblúky alebo poškodiť komponenty pri prevádzke na najvyššom menovitom prúde a napätí, takže nie je možné povedať, že ochranný obvod je úplne zbytočný. V aplikáciách, kde sa často používa režim maximálneho výkonu usb-pd, napríklad pri nabíjaní batérie prenosného počítača, musí byť zabezpečená plná ochrana obvodu.

Diódy s prechodným napätím (TVS) inštalované medzi kolíkom a zemou zásuvky typu USB typu C sú relatívne jednoduchou a lacnou ochranou obvodu. V prípade prechodného skratu „dióda“ TVS „zovrie“ špičkové napätie na úroveň, ktorú vydrží pripojená časť. Zatiaľ čo diódy TVS poskytujú dobrú prechodnú ochranu, nie sú ideálne pre nepretržité prepäťové udalosti. Na vyriešenie týchto problémov je potrebný ďalší obvod, podobný prepäťovej ochrane, spárovaný s n-kanálovým MOSFETom. Počas nepretržitého prepätia aktivuje ochranný kryt nMOSFET, aby odpojil záťaž od vstupu, čím zabráni preťaženiu pripojeného zariadenia na výstupe. Diódy, strážcovia a nmosfety TVS však stále nedokážu odolať všetkým situáciám prepätia; Okolo káblov USB sa občas vyskytujú skraty. V tomto prípade je indukčnosť pätice veľmi nízka, čím sa zvyšuje napätie rýchlejšie ako rýchlosť odozvy ochranného zariadenia a nMOSFET, takže na predĺženie doby nárastu napätia sa môže použiť viac upínacích zariadení, takže ochranné zariadenie má dostatok čas prerušiť.

Komplexná ochrana prakticky zvyšuje náklady a zložitosť aplikácií usb-pd, tomu sa však dá vyhnúť výberom správnych komponentov. Výrobcovia teraz začínajú ponúkať integrované zariadenia, ktoré integrujú TVS diódy, ochranu a svorky do jedného balíka (nMOSFET sa zvyčajne uchováva ako diskrétny čip), čím šetria peniaze a priestor a zároveň zjednodušujú dizajn ochrany USB-Pd.