Zaščita vezja ne bo nikoli konec razvoja elektronike

Zaščita vezja je kot zavarovanje; v najboljšem primeru je mogoče razumeti kot zanemarjeno, pa tudi če je nameščen na mestu, pogosto ni dovolj. Medtem ko lahko premalo vlaganja v zavarovanje ogrozi stabilno poslovanje podjetja, lahko neustrezna zaščita vezja povzroči resnejše posledice, kot je izguba življenja.

Ponazorimo pomen varovanja tokokroga v primeru leta 111 z letalom swissair, ki je odstopil od Janeza f. Mednarodno letališče Kennedy v New Yorku 2. septembra 1998. Let je upravljal 7-letni McDonnell Douglas md-11, ki je pred kratkim nadgradil svoj sistem zabave med letom (IFE). Kap iz 52 minut po vzletu je pilotska kabina nenadoma in posadka takoj razglasila izredno stanje in poskušala nadomestiti letališče v halifaksu, letališče, vendar je zaradi stropa vodilne kabine v stropu pilota kabina povzročila, da je ogenj izginil iz nadzora in se zrušil v 8 km morja od obale Nova Scotia je umrlo vseh 215 potnikov in 14 članov posadke.

Preiskava trka je ugotovila, da so bili materiali, uporabljeni v enem odseku novega IFE, glavni vzrok za sesutje in da so materiali, ki naj bi bili ognjevarni, zgoreli in se razširili na kritične kontrolne črte. Čeprav tega ni mogoče zagotovo reči, domnevamo, da je bil vzrok požara električni lok med žicami IFE. Čeprav so te žice opremljene z odklopniki, se zaradi ločitve ne izklapljajo. To je resničen primer 229 smrti, ki so nastale zaradi neustrezne zaščite vezja. Takšna vezja so zdaj opremljena z zaščitnimi napravami za odkrivanje napak ob loku ob zaznavanju loka (razen obločnega loka, ki nastane pri običajnih operacijah, kot je pritisk na stikalo).

Usb-pd prinaša več nevarnosti

Čeprav je švicarski MD-11 posledica električne okvare in ne elektronske okvare, je zdaj vse več tokokrogov dovolj za nastanek loka (in lahko ogrozi življenjski ogenj) napetosti in toka, kot je nadgradnja napajanja USB (USB - PD), lahko podpira do 20 v in 5 a (največja moč 100 w) visoke napetosti in toka. V primerjavi s napetostjo 5 V in 3A toka (15 W) USB tipa-c je nadgradnja usb-pd-ja veliko izboljšanje, hkrati pa močno poveča možnost nevarnosti.

Poleg tveganj, povezanih z visoko napetostjo in tokom, lahko usb-pd povzroči tudi druge težave pri uporabi USB-konektorjev in kablov. To je zato, ker je razmik med priključki USB tipa-c samo 0,5 mm, kar je petina priključkov tipa a in tipa b, s čimer se poveča tveganje za kratek stik zaradi rahlega popačenja konektorja med vstavitev ali odstranitev. Nečistoče, ki se nabirajo znotraj konektorja, imajo lahko podoben učinek. Poleg tega je priljubljenost tipa USB-c privedla tudi do pomembnega razvoja kablov, čeprav mnogi kabli še vedno ne morejo prenesti moči 100 W, vendar jih ne prepoznajo. Vendar ti znaki ne zagotavljajo varnosti; Če želi potrošnik uporabiti nedoločen kabel, ga lahko priključite v usb-pd vtičnico tako enostavno kot kvalificiran kabel.

Loki niso edina nevarnost, če se usb-pd uporablja pri visokih napetostih in tokovih. Ker je glavni napajalni zatič zelo blizu drugih zatičev konektorja, lahko kratek stik zlahka izpostavi elektroniko na spodnjem delu navzgor napetosti, kot je napetost kratkega stika 20V, ki lahko povzroči napako. Na primer, induktivnost en meter dolgega USB kabla lahko "niha", zaradi česar je največja napetost veliko višja od napetosti v kratkem stiku 20V (včasih dvakrat višja). Pri nekaterih aplikacijah lahko okvara opreme na spodnji strani, na katero vpliva prenapetost, povzroči varnostne težave, saj so tiste naprave, ki se običajno uporabljajo za nadzor največjega obratovalnega toka in napetosti kablov, najbolj ranljive za poškodbe.

Popolna zaščita vezja

Usb-pd lahko med delovanjem na najvišji nazivni tok in napetost povzroči loke ali poškoduje komponente, zato ni mogoče reči, da je zaščitni tokokrog popolnoma neuporaben. V aplikacijah, kjer se pogosto uporablja način usb-pd največje moči, na primer pri polnjenju baterije prenosnega računalnika, mora biti zagotovljena popolna zaščita vezja.

Diode za zatiranje prehodne napetosti (TVS), nameščene med zatičem in ozemljitvijo vtičnice USB tipa-c, so relativno enostavne in poceni zaščita vezja. V primeru prehodnega kratkega stika dioda TVS "stisne" vršno napetost na raven, ki jo priključeni del lahko vzdrži. Čeprav diode TVS zagotavljajo dobro prehodno zaščito, niso idealne za neprekinjene prenapetostne dogodke. Za rešitev teh težav potrebujete dodatno vezje, podobno kot prenapetostna zaščita, seznanjeno z n-kanalnim MOSFET. Med nenehnim prenapetostnim dogodkom ščitnik sproži nMOSFET za odklop bremena od vhoda in s tem prepreči preobremenitev priključene naprave navzdol. Toda diode, varovala in nmosfets TVS še vedno ne morejo vzdržati vseh prenapetostnih situacij; Občasno pride do kratkega stika okoli USB kablov. V tem primeru je induktivnost vtičnice zelo nizka, zaradi česar se napetost dvigne hitreje od odzivne hitrosti zaščitne naprave in nMOSFET, zato lahko za podaljšanje časa dviga napetosti uporabimo več vpenjalnih naprav, tako da ima zaščitna naprava dovolj čas za odrez.

Celovita zaščita praktično poveča stroške in kompleksnost usb-pd aplikacij, vendar se temu lahko izognemo z izbiro pravih komponent. Proizvajalci zdaj začenjajo ponujati integrirane naprave, ki integrirajo TVS diode, zaščito in objemke v en paket (nMOSFET se ponavadi hrani kot diskreten čip), s čimer prihranijo denar in prostor ob hkratni poenostavitvi zasnove zaščite usb-pd.

sklep

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. Zaščita vezja je kot zavarovanje; v najboljšem primeru je mogoče razumeti kot zanemarjeno, pa tudi če je nameščen na mestu, pogosto ni dovolj. Medtem ko lahko premalo vlaganja v zavarovanje ogrozi stabilno poslovanje podjetja, lahko neustrezna zaščita vezja povzroči resnejše posledice, kot je izguba življenja.


Ponazorimo pomen varovanja tokokroga v primeru leta 111 z letalom swissair, ki je odstopil od Janeza f. Mednarodno letališče Kennedy v New Yorku 2. septembra 1998. Let je upravljal 7-letni McDonnell Douglas md-11, ki je pred kratkim nadgradil svoj sistem zabave med letom (IFE). Kap iz 52 minut po vzletu je pilotska kabina nenadoma in posadka takoj razglasila izredno stanje in poskušala nadomestiti letališče v halifaksu, letališče, vendar je zaradi stropa vodilne kabine v stropu pilota kabina povzročila, da je ogenj izginil iz nadzora in se zrušil v 8 km morja od obale Nova Scotia je umrlo vseh 215 potnikov in 14 članov posadke.

Preiskava trka je ugotovila, da so bili materiali, uporabljeni v enem odseku novega IFE, glavni vzrok za sesutje in da so materiali, ki naj bi bili ognjevarni, zgoreli in se razširili na kritične kontrolne črte. Čeprav tega ni mogoče zagotovo reči, domnevamo, da je bil vzrok požara električni lok med žicami IFE. Čeprav so te žice opremljene z odklopniki, se zaradi ločitve ne izklapljajo. To je resničen primer 229 smrti, ki so nastale zaradi neustrezne zaščite vezja. Takšna vezja so zdaj opremljena z zaščitnimi napravami za odkrivanje napak ob loku ob zaznavanju loka (razen obločnega loka, ki nastane pri običajnih operacijah, kot je pritisk na stikalo).

Usb-pd prinaša več nevarnosti

Čeprav je švicarski MD-11 posledica električne okvare in ne elektronske okvare, je zdaj vse več tokokrogov dovolj za nastanek loka (in lahko ogrozi življenjski ogenj) napetosti in toka, kot je nadgradnja napajanja USB (USB - PD), lahko podpira do 20 v in 5 a (največja moč 100 w) visoke napetosti in toka. V primerjavi s napetostjo 5 V in 3A toka (15 W) USB tipa-c je nadgradnja usb-pd-ja veliko izboljšanje, hkrati pa močno poveča možnost nevarnosti.

Poleg tveganj, povezanih z visoko napetostjo in tokom, lahko usb-pd povzroči tudi druge težave pri uporabi USB-konektorjev in kablov. To je zato, ker je razmik med priključki USB tipa-c samo 0,5 mm, kar je petina priključkov tipa a in tipa b, s čimer se poveča tveganje za kratek stik zaradi rahlega popačenja konektorja med vstavitev ali odstranitev. Nečistoče, ki se nabirajo znotraj konektorja, imajo lahko podoben učinek. Poleg tega je priljubljenost tipa USB-c privedla tudi do pomembnega razvoja kablov, čeprav mnogi kabli še vedno ne morejo prenesti moči 100 W, vendar jih ne prepoznajo. Vendar ti znaki ne zagotavljajo varnosti; Če želi potrošnik uporabiti nedoločen kabel, ga lahko priključite v usb-pd vtičnico tako enostavno kot kvalificiran kabel.

Loki niso edina nevarnost, če se usb-pd uporablja pri visokih napetostih in tokovih. Ker je glavni napajalni zatič zelo blizu drugih zatičev konektorja, lahko kratek stik zlahka izpostavi elektroniko na spodnjem delu navzgor napetosti, kot je napetost kratkega stika 20V, ki lahko povzroči napako. Na primer, induktivnost en meter dolgega USB kabla lahko "niha", zaradi česar je največja napetost veliko višja od napetosti v kratkem stiku 20V (včasih dvakrat višja). Pri nekaterih aplikacijah lahko okvara opreme na spodnji strani, na katero vpliva prenapetost, povzroči varnostne težave, saj so tiste naprave, ki se običajno uporabljajo za nadzor največjega obratovalnega toka in napetosti kablov, najbolj ranljive za poškodbe.

Popolna zaščita vezja

Usb-pd lahko med delovanjem na najvišji nazivni tok in napetost povzroči loke ali poškoduje komponente, zato ni mogoče reči, da je zaščitni tokokrog popolnoma neuporaben. V aplikacijah, kjer se pogosto uporablja način usb-pd največje moči, na primer pri polnjenju baterije prenosnega računalnika, mora biti zagotovljena popolna zaščita vezja.

Diode za zatiranje prehodne napetosti (TVS), nameščene med zatičem in ozemljitvijo vtičnice USB tipa-c, so relativno enostavne in poceni zaščita vezja. V primeru prehodnega kratkega stika dioda TVS "stisne" vršno napetost na raven, ki jo priključeni del lahko vzdrži. Čeprav diode TVS zagotavljajo dobro prehodno zaščito, niso idealne za neprekinjene prenapetostne dogodke. Za rešitev teh težav potrebujete dodatno vezje, podobno kot prenapetostna zaščita, seznanjeno z n-kanalnim MOSFET. Med nenehnim prenapetostnim dogodkom ščitnik sproži nMOSFET za odklop bremena od vhoda in s tem prepreči preobremenitev priključene naprave navzdol. Toda diode, varovala in nmosfets TVS še vedno ne morejo vzdržati vseh prenapetostnih situacij; Občasno pride do kratkega stika okoli USB kablov. V tem primeru je induktivnost vtičnice zelo nizka, zaradi česar se napetost dvigne hitreje od odzivne hitrosti zaščitne naprave in nMOSFET, zato lahko za podaljšanje časa dviga napetosti uporabimo več vpenjalnih naprav, tako da ima zaščitna naprava dovolj čas za odrez.

Celovita zaščita praktično poveča stroške in kompleksnost usb-pd aplikacij, vendar se temu lahko izognemo z izbiro pravih komponent. Proizvajalci zdaj začenjajo ponujati integrirane naprave, ki integrirajo TVS diode, zaščito in objemke v en paket (nMOSFET se ponavadi hrani kot diskreten čip), s čimer prihranijo denar in prostor ob hkratni poenostavitvi zasnove zaščite usb-pd.