Защита цепи никогда не будет концом развития электроники

Защита цепи - это как страховка; в лучшем случае это можно рассматривать как запоздалая мысль, и даже когда она установлена ​​на месте, ее часто недостаточно. В то время как недостаточные инвестиции в страхование могут угрожать стабильной работе бизнеса, недостаточная защита цепи может привести к более серьезным последствиям, таким как гибель людей.

Мы иллюстрируем важность защиты цепи в случае швейцарского рейса 111, который вылетел от Джона Ф. Международный аэропорт Кеннеди в Нью-Йорке 2 сентября 1998 года. Полет выполнялся 7-летним McDonnell Douglas md-11, который недавно модернизировал свою систему развлечений в полете (IFE). Дым от 52 минут после взлета, кабина внезапно, и команда немедленно объявила чрезвычайное положение, и попытался изменить к аэропорту Галифакса, но из-за электрического кабеля управления потолка кабины огонь вышел из-под контроля и рухнул в 8 км от моря от побережья Новой Шотландии, погибли все 215 пассажиров и 14 членов экипажа.

Расследование аварии обнаружило, что материалы, использованные в одной секции нового IFE, были основной причиной аварии, и что материалы, которые должны были быть огнестойкими, сгорели и распространились на критические контрольные линии. Хотя невозможно сказать наверняка, предполагается, что причиной пожара была электрическая дуга между проводами IFE. Хотя эти провода оснащены автоматическими выключателями, они не срабатывают из-за искрения. Это истинный случай 229 смертей, вызванных недостаточной защитой цепи. Такие цепи теперь оснащены защитой от обнаружения дуги, которая срабатывает при обнаружении дуги (не считая дуги, возникающей при обычных операциях, таких как нажатие переключателя).

USB-PD приносит больше опасности

Хотя швейцарский MD - 11 вызван электрическим отказом, а не электронным отказом, но теперь все больше и больше цепей достаточно для образования дуги (и может угрожать пожару) напряжения и тока, таких как обновление источника питания USB (USB - PD), он может поддерживать до 20 В и 5 А (максимальная мощность 100 Вт) высокого напряжения и тока. По сравнению с напряжением 5 В и током 3 А (15 Вт) USB типа c, модернизация usb-pd является большим улучшением, но также значительно увеличивает вероятность опасности.

В дополнение к рискам, связанным с высоким напряжением и током, usb-pd может вызвать другие проблемы при использовании с разъемами USB типа c и кабелями. Это связано с тем, что расстояние между контактами разъема USB типа c составляет всего 0,5 мм, что составляет одну пятую от разъема типа A и типа B, что повышает риск короткого замыкания A из-за небольшого искажения разъема во время вставка или удаление. Загрязнения, которые накапливаются внутри разъема, могут иметь аналогичный эффект. Кроме того, популярность USB Type-C также привела к значительному развитию кабелей, хотя многие кабели по-прежнему не могут передавать 100 Вт, но они не определены. Однако эти знаки не гарантируют безопасность; Если потребитель хочет использовать неуказанный кабель, его также можно подключить к разъему usb-pd так же легко, как и соответствующий кабель.

Дуги - не единственная опасность, когда usb-pd используется при высоких напряжениях и токах. Поскольку вывод питания главной шины находится очень близко к другим выводам разъема, короткое замыкание может легко подвергнуть выходную электронику скачкам напряжения, таким как напряжение короткого замыкания 20 В, которое может вызвать неисправность. Например, индуктивность USB-кабеля длиной один метр может «колебаться», в результате чего пиковое напряжение будет намного выше, чем напряжение короткого замыкания 20 В (иногда вдвое больше). В некоторых случаях отказ оборудования, находящегося ниже по потоку, на который влияет перенапряжение, может вызвать проблемы с безопасностью, поскольку те устройства, которые обычно используются для контроля максимального рабочего тока и напряжения кабелей, наиболее уязвимы для повреждения.

Полная защита цепи

Usb-pd может создавать дуги или повреждать компоненты при работе при максимальном номинальном токе и напряжении, поэтому нельзя сказать, что схема защиты совершенно бесполезна. В приложениях, где часто используется режим максимальной мощности usb-pd, например, при зарядке аккумулятора портативного компьютера, должна быть обеспечена полная защита цепи.

Диоды подавления переходного напряжения (TVS), установленные между контактом и землей USB-разъема типа c, являются относительно простой и недорогой схемной защитой. В случае кратковременного короткого замыкания диод TVS «сжимает» пиковое напряжение до уровня, который может выдержать подключенная часть. Несмотря на то, что диоды TVS обеспечивают хорошую защиту от переходных процессов, они не идеальны для длительных событий перенапряжения. Для решения этих проблем требуется дополнительная схема, аналогичная защите от перенапряжения, в сочетании с n-канальным MOSFET. Во время непрерывного события перенапряжения защита запускает nMOSFET, чтобы отключить нагрузку от входа, тем самым предотвращая перегрузку подключенного нисходящего устройства. Но диоды TVS, охранники и nmosfets все еще не могут противостоять всем ситуациям перенапряжения; Иногда происходят короткие замыкания вокруг USB-кабелей. В этом случае индуктивность розетки очень низкая, поэтому напряжение увеличивается быстрее, чем скорость срабатывания защитного устройства и nMOSFET, поэтому можно использовать большее количество зажимных устройств для увеличения времени нарастания напряжения, так что у защитного устройства достаточно время отрезать.

Комплексная защита практически увеличивает стоимость и сложность приложений usb-pd, но этого можно избежать, выбрав правильные компоненты. В настоящее время производители начинают предлагать интегрированные устройства, которые объединяют диоды, защиту и зажимы TVS в одном корпусе (nMOSFET обычно хранится в виде дискретного чипа), экономя деньги и пространство, одновременно упрощая конструкцию защиты usb-pd.

вывод

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. Защита цепи - это как страховка; в лучшем случае это можно рассматривать как запоздалая мысль, и даже когда она установлена ​​на месте, ее часто недостаточно. В то время как недостаточные инвестиции в страхование могут угрожать стабильной работе бизнеса, недостаточная защита цепи может привести к более серьезным последствиям, таким как гибель людей.


Мы иллюстрируем важность защиты цепи в случае швейцарского рейса 111, который вылетел от Джона Ф. Международный аэропорт Кеннеди в Нью-Йорке 2 сентября 1998 года. Полет выполнялся 7-летним McDonnell Douglas md-11, который недавно модернизировал свою систему развлечений в полете (IFE). Дым от 52 минут после взлета, кабина внезапно, и команда немедленно объявила чрезвычайное положение, и попытался изменить к аэропорту Галифакса, но из-за электрического кабеля управления потолка кабины огонь вышел из-под контроля и рухнул в 8 км от моря от побережья Новой Шотландии, погибли все 215 пассажиров и 14 членов экипажа.

Расследование аварии обнаружило, что материалы, использованные в одной секции нового IFE, были основной причиной аварии, и что материалы, которые должны были быть огнестойкими, сгорели и распространились на критические контрольные линии. Хотя невозможно сказать наверняка, предполагается, что причиной пожара была электрическая дуга между проводами IFE. Хотя эти провода оснащены автоматическими выключателями, они не срабатывают из-за искрения. Это истинный случай 229 смертей, вызванных недостаточной защитой цепи. Такие цепи теперь оснащены защитой от обнаружения дуги, которая срабатывает при обнаружении дуги (не считая дуги, возникающей при обычных операциях, таких как нажатие переключателя).

USB-PD приносит больше опасности

Хотя швейцарский MD - 11 вызван электрическим отказом, а не электронным отказом, но теперь все больше и больше цепей достаточно для образования дуги (и может угрожать пожару) напряжения и тока, таких как обновление источника питания USB (USB - PD), он может поддерживать до 20 В и 5 А (максимальная мощность 100 Вт) высокого напряжения и тока. По сравнению с напряжением 5 В и током 3 А (15 Вт) USB типа c, модернизация usb-pd является большим улучшением, но также значительно увеличивает вероятность опасности.

В дополнение к рискам, связанным с высоким напряжением и током, usb-pd может вызвать другие проблемы при использовании с разъемами USB типа c и кабелями. Это связано с тем, что расстояние между контактами разъема USB типа c составляет всего 0,5 мм, что составляет одну пятую от разъема типа A и типа B, что повышает риск короткого замыкания A из-за небольшого искажения разъема во время вставка или удаление. Загрязнения, которые накапливаются внутри разъема, могут иметь аналогичный эффект. Кроме того, популярность USB Type-C также привела к значительному развитию кабелей, хотя многие кабели по-прежнему не могут передавать 100 Вт, но они не определены. Однако эти знаки не гарантируют безопасность; Если потребитель хочет использовать неуказанный кабель, его также можно подключить к разъему usb-pd так же легко, как и соответствующий кабель.

Дуги - не единственная опасность, когда usb-pd используется при высоких напряжениях и токах. Поскольку вывод питания главной шины находится очень близко к другим выводам разъема, короткое замыкание может легко подвергнуть выходную электронику скачкам напряжения, таким как напряжение короткого замыкания 20 В, которое может вызвать неисправность. Например, индуктивность USB-кабеля длиной один метр может «колебаться», в результате чего пиковое напряжение будет намного выше, чем напряжение короткого замыкания 20 В (иногда вдвое больше). В некоторых случаях отказ оборудования, находящегося ниже по потоку, на который влияет перенапряжение, может вызвать проблемы с безопасностью, поскольку те устройства, которые обычно используются для контроля максимального рабочего тока и напряжения кабелей, наиболее уязвимы для повреждения.

Полная защита цепи

Usb-pd может создавать дуги или повреждать компоненты при работе при максимальном номинальном токе и напряжении, поэтому нельзя сказать, что схема защиты совершенно бесполезна. В приложениях, где часто используется режим максимальной мощности usb-pd, например, при зарядке аккумулятора портативного компьютера, должна быть обеспечена полная защита цепи.

Диоды подавления переходного напряжения (TVS), установленные между контактом и землей USB-разъема типа c, являются относительно простой и недорогой схемной защитой. В случае кратковременного короткого замыкания диод TVS «сжимает» пиковое напряжение до уровня, который может выдержать подключенная часть. Несмотря на то, что диоды TVS обеспечивают хорошую защиту от переходных процессов, они не идеальны для длительных событий перенапряжения. Для решения этих проблем требуется дополнительная схема, аналогичная защите от перенапряжения, в сочетании с n-канальным MOSFET. Во время непрерывного события перенапряжения защита запускает nMOSFET, чтобы отключить нагрузку от входа, тем самым предотвращая перегрузку подключенного нисходящего устройства. Но диоды TVS, охранники и nmosfets все еще не могут противостоять всем ситуациям перенапряжения; Иногда происходят короткие замыкания вокруг USB-кабелей. В этом случае индуктивность розетки очень низкая, поэтому напряжение увеличивается быстрее, чем скорость срабатывания защитного устройства и nMOSFET, поэтому можно использовать большее количество зажимных устройств для увеличения времени нарастания напряжения, так что у защитного устройства достаточно время отрезать.

Комплексная защита практически увеличивает стоимость и сложность приложений usb-pd, но этого можно избежать, выбрав правильные компоненты. В настоящее время производители начинают предлагать интегрированные устройства, которые объединяют диоды, защиту и зажимы TVS в одном корпусе (nMOSFET обычно хранится в виде дискретного чипа), экономя деньги и пространство, одновременно упрощая конструкцию защиты usb-pd.