Kredsløbsbeskyttelse vil aldrig være slutningen på elektronikudviklingen

Kredsløb er som forsikring; i bedste fald kan det ses som en eftersmag, og selv når det er installeret, er det ofte ikke nok. Mens underinvestering i forsikring kan true en virksomheds stabile drift, kan utilstrækkelig kredsløbsbeskyttelse føre til mere alvorlige konsekvenser såsom tab af liv.

Vi illustrerer vigtigheden af ​​kredsløbsbeskyttelse i tilfælde af swissair flight 111, der afviger fra John f. Kennedy internationale lufthavn i New York den 2. september 1998. Flyet blev betjent af den 7 år gamle McDonnell Douglas md-11, der for nylig opgraderede sit in-flight underholdningssystem (IFE). Røg fra 52 minutter efter opstart, cockpiten pludselig, og besætningen erklærede straks en nødsituation, og forsøgte at skifte til Halifax, lufthavnen, men på grund af cockpitloftet forårsagede det elektriske kontrolkabel, at ilden brændte ud af kontrol og styrtede ned i 8 km fra havet fra nova scotia-kysten, og dræbte alle 215 passagerer og 14 besætningsmedlemmer.

Undersøgelsen af ​​nedbrud fandt, at de materialer, der blev brugt i et afsnit af den nye IFE, var den vigtigste årsag til styrtet, og at materialerne, der skulle være brandsikre, brændte op og spredte sig til kritiske kontrollinjer. Selvom det er umuligt at sige med sikkerhed, antages det, at den elektriske bue mellem IFE-ledningerne var årsagen til branden. Selvom disse ledninger er udstyret med afbrydere, kører de ikke på grund af lysbue. Dette er et sandt tilfælde af 229 dødsfald forårsaget af utilstrækkelig kredsløbsbeskyttelse. Sådanne kredsløb er nu udstyret med buefejldetekteringsbeskyttelse til at udløse, når en lysbue registreres (ikke inklusive lysbuen, der er produceret ved normale operationer, såsom at trykke på en switch).

Usb-pd bringer mere fare

Selvom den schweiziske MD-11 er forårsaget af elektrisk svigt snarere end elektronisk fiasko, men nu er flere og flere kredsløb nok til at producere lysbue (og kan bringe livets ild) i fare for spænding og strøm, såsom opgradering af USB-strømforsyningen (USB - PD), kan den understøtte op til 20 v og 5 a (maksimal effekt på 100 w) højspænding og strøm. Sammenlignet med 5V spænding og 3A strøm (15W) af USB type-c er opgraderingen af ​​usb-pd en stor forbedring, men det øger også risikoen for fare meget.

Ud over de risici, der er forbundet med høj spænding og strøm, kan usb-pd forårsage andre problemer, når de bruges med USB-type-c-stik og kabler. Dette skyldes, at stiftafstanden til USB-type-c-stikket kun er 0,5 mm, en femtedel af den for type-a- og type-b-stikkene, hvilket øger risikoen for en kortslutning på grund af den lille forvrængning af stikket under indsætning eller fjernelse. Urenheder, der opbygges inde i stikket, kan have en lignende virkning. Derudover har populariteten af ​​USB-type-c også ført til den betydelige udvikling af kabler, selvom mange kabler stadig ikke er i stand til at bære 100 W strøm, men de er ikke identificeret. Disse tegn garanterer dog ikke sikkerhed; Hvis forbrugeren ønsker at bruge et uspecificeret kabel, kan det også tilsluttes en usb-pd-stik så let som et kvalificeret kabel.

Buer er ikke den eneste fare, når usb-pd bruges ved høje spændinger og strømme. Da hovedbussens strømnål er meget tæt på de andre stifter på stikket, kan en kortslutning let udsætte nedstrømselektronikken for en strømstød såsom en 20V kortslutningsspænding, der kan forårsage en fejl. F.eks. Kan induktansen af ​​et en meter langt USB-kabel "svinge", hvilket medfører, at topspændingen er meget højere end 20V kortslutningsspænding (undertiden dobbelt så høj). For nogle applikationer kan svigt i downstream-udstyr, der er påvirket af overspænding, forårsage sikkerhedsproblemer, da de enheder, der ofte bruges til at kontrollere kabels maksimale driftsstrøm og spænding, er de mest sårbare for skader.

Fuld kredsløb beskyttelse

Usb-pd kan producere buer eller beskadige komponenter, når de kører med den højeste nominelle strøm og spænding, så det kan ikke siges, at beskyttelseskredsløbet er helt ubrugeligt. I applikationer, hvor usb-pd maksimal strømtilstand ofte bruges, f.eks. Ved opladning af et bærbart computerbatteri, skal der leveres fuld kredsløbsbeskyttelse.

Overgangsspændingsdæmpningsdioder (TVS) -dioder, der er installeret mellem stiften og jorden i et USB-type-c-stik er relativt enkel og billig kredsløbsbeskyttelse. I tilfælde af en kortvarig kortslutning "klemmer" TVS-dioden topspændingen til et niveau, som den tilsluttede del kan modstå. Mens TVS-dioder giver god forbigående beskyttelse, er de ikke ideelle til kontinuerlige overspændingsbegivenheder. For at løse disse problemer kræves et ekstra kredsløb, der ligner overspændingsbeskyttelse, parret med en n-kanals MOSFET. Under en kontinuerlig overspændingsbegivenhed udløser beskyttelsen nMOSFET til at frakoble belastningen fra indgangen og derved forhindre overbelastning af den tilsluttede nedstrømsanordning. Men TVS-dioder, vagter og nmosfets kan stadig ikke modstå alle overspændingssituationer; Lejlighedsvis forekommer kortslutninger omkring USB-kabler. I dette tilfælde er stikkontaktens induktans meget lav, hvilket får spændingen til at stige hurtigere end reaktionshastigheden for beskyttelsesanordningen og nMOSFET, så flere spændeanordninger kan bruges til at forlænge spændingsstigningstiden, så beskyttelsesanordningen har nok tid til at afskære.

Omfattende beskyttelse øger praktisk talt omkostningerne og kompleksiteten af ​​usb-pd-applikationer, men dette kan undgås ved at vælge de rigtige komponenter. Producenterne begynder nu at tilbyde integrerede enheder, der integrerer TVS-dioder, beskyttelse og klemmer i en enkelt pakke (nMOSFET opbevares normalt som en diskret chip), hvilket sparer penge og plads og samtidig forenkler design af usb-pd-beskyttelse.

konklusion

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. Kredsløb er som forsikring; i bedste fald kan det ses som en eftersmag, og selv når det er installeret, er det ofte ikke nok. Mens underinvestering i forsikring kan true en virksomheds stabile drift, kan utilstrækkelig kredsløbsbeskyttelse føre til mere alvorlige konsekvenser såsom tab af liv.


Vi illustrerer vigtigheden af ​​kredsløbsbeskyttelse i tilfælde af swissair flight 111, der afviger fra John f. Kennedy internationale lufthavn i New York den 2. september 1998. Flyet blev betjent af den 7 år gamle McDonnell Douglas md-11, der for nylig opgraderede sit in-flight underholdningssystem (IFE). Røg fra 52 minutter efter opstart, cockpiten pludselig, og besætningen erklærede straks en nødsituation, og forsøgte at skifte til Halifax, lufthavnen, men på grund af cockpitloftet forårsagede det elektriske kontrolkabel, at ilden brændte ud af kontrol og styrtede ned i 8 km fra havet fra nova scotia-kysten, og dræbte alle 215 passagerer og 14 besætningsmedlemmer.

Undersøgelsen af ​​nedbrud fandt, at de materialer, der blev brugt i et afsnit af den nye IFE, var den vigtigste årsag til styrtet, og at materialerne, der skulle være brandsikre, brændte op og spredte sig til kritiske kontrollinjer. Selvom det er umuligt at sige med sikkerhed, antages det, at den elektriske bue mellem IFE-ledningerne var årsagen til branden. Selvom disse ledninger er udstyret med afbrydere, kører de ikke på grund af lysbue. Dette er et sandt tilfælde af 229 dødsfald forårsaget af utilstrækkelig kredsløbsbeskyttelse. Sådanne kredsløb er nu udstyret med buefejldetekteringsbeskyttelse til at udløse, når en lysbue registreres (ikke inklusive lysbuen, der er produceret ved normale operationer, såsom at trykke på en switch).

Usb-pd bringer mere fare

Selvom den schweiziske MD-11 er forårsaget af elektrisk svigt snarere end elektronisk fiasko, men nu er flere og flere kredsløb nok til at producere lysbue (og kan bringe livets ild) i fare for spænding og strøm, såsom opgradering af USB-strømforsyningen (USB - PD), kan den understøtte op til 20 v og 5 a (maksimal effekt på 100 w) højspænding og strøm. Sammenlignet med 5V spænding og 3A strøm (15W) af USB type-c er opgraderingen af ​​usb-pd en stor forbedring, men det øger også risikoen for fare meget.

Ud over de risici, der er forbundet med høj spænding og strøm, kan usb-pd forårsage andre problemer, når de bruges med USB-type-c-stik og kabler. Dette skyldes, at stiftafstanden til USB-type-c-stikket kun er 0,5 mm, en femtedel af den for type-a- og type-b-stikkene, hvilket øger risikoen for en kortslutning på grund af den lille forvrængning af stikket under indsætning eller fjernelse. Urenheder, der opbygges inde i stikket, kan have en lignende virkning. Derudover har populariteten af ​​USB-type-c også ført til den betydelige udvikling af kabler, selvom mange kabler stadig ikke er i stand til at bære 100 W strøm, men de er ikke identificeret. Disse tegn garanterer dog ikke sikkerhed; Hvis forbrugeren ønsker at bruge et uspecificeret kabel, kan det også tilsluttes en usb-pd-stik så let som et kvalificeret kabel.

Buer er ikke den eneste fare, når usb-pd bruges ved høje spændinger og strømme. Da hovedbussens strømnål er meget tæt på de andre stifter på stikket, kan en kortslutning let udsætte nedstrømselektronikken for en strømstød såsom en 20V kortslutningsspænding, der kan forårsage en fejl. F.eks. Kan induktansen af ​​et en meter langt USB-kabel "svinge", hvilket medfører, at topspændingen er meget højere end 20V kortslutningsspænding (undertiden dobbelt så høj). For nogle applikationer kan svigt i downstream-udstyr, der er påvirket af overspænding, forårsage sikkerhedsproblemer, da de enheder, der ofte bruges til at kontrollere kabels maksimale driftsstrøm og spænding, er de mest sårbare for skader.

Fuld kredsløb beskyttelse

Usb-pd kan producere buer eller beskadige komponenter, når de kører med den højeste nominelle strøm og spænding, så det kan ikke siges, at beskyttelseskredsløbet er helt ubrugeligt. I applikationer, hvor usb-pd maksimal strømtilstand ofte bruges, f.eks. Ved opladning af et bærbart computerbatteri, skal der leveres fuld kredsløbsbeskyttelse.

Overgangsspændingsdæmpningsdioder (TVS) -dioder, der er installeret mellem stiften og jorden i et USB-type-c-stik er relativt enkel og billig kredsløbsbeskyttelse. I tilfælde af en kortvarig kortslutning "klemmer" TVS-dioden topspændingen til et niveau, som den tilsluttede del kan modstå. Mens TVS-dioder giver god forbigående beskyttelse, er de ikke ideelle til kontinuerlige overspændingsbegivenheder. For at løse disse problemer kræves et ekstra kredsløb, der ligner overspændingsbeskyttelse, parret med en n-kanals MOSFET. Under en kontinuerlig overspændingsbegivenhed udløser beskyttelsen nMOSFET til at frakoble belastningen fra indgangen og derved forhindre overbelastning af den tilsluttede nedstrømsanordning. Men TVS-dioder, vagter og nmosfets kan stadig ikke modstå alle overspændingssituationer; Lejlighedsvis forekommer kortslutninger omkring USB-kabler. I dette tilfælde er stikkontaktens induktans meget lav, hvilket får spændingen til at stige hurtigere end reaktionshastigheden for beskyttelsesanordningen og nMOSFET, så flere spændeanordninger kan bruges til at forlænge spændingsstigningstiden, så beskyttelsesanordningen har nok tid til at afskære.

Omfattende beskyttelse øger praktisk talt omkostningerne og kompleksiteten af ​​usb-pd-applikationer, men dette kan undgås ved at vælge de rigtige komponenter. Producenterne begynder nu at tilbyde integrerede enheder, der integrerer TVS-dioder, beskyttelse og klemmer i en enkelt pakke (nMOSFET opbevares normalt som en diskret chip), hvilket sparer penge og plads og samtidig forenkler design af usb-pd-beskyttelse.