Kretsbeskyttelse vil aldri være slutten på elektronikkutviklingen

Kretsbeskyttelse er som forsikring; i beste fall kan det sees på som en ettertanke, og selv når det er installert på plass, er det ofte ikke nok. Mens underinvestering i forsikring kan true den stabile driften av en virksomhet, kan mangelfull kretsbeskyttelse føre til mer alvorlige konsekvenser som tap av liv.

Vi illustrerer viktigheten av kretsbeskyttelse i tilfelle swissair flight 111, som gikk fra John f. Kennedy internasjonale flyplass i New York 2. september 1998. Flyet ble operert av den 7 år gamle McDonnell Douglas md-11, som nylig oppgraderte sitt underholdningssystem (IFE). Røyk fra 52 minutter etter å ha tatt av, cockpiten plutselig og mannskapet erklærte øyeblikkelig en unntakstilstand, og prøvde å veksle til Halifax, flyplassen, men på grunn av cockpitloftet førte elektrisk kontrollkabel brannen ut av kontroll og krasjet i 8 km fra havet fra nova scotia-kysten, og drepte alle 215 passasjerer og 14 besetningsmedlemmer.

Undersøkelsen av krasjet fant ut at materialene som ble brukt i en seksjon av den nye IFE var hovedårsaken til krasjet, og at materialene, som visstnok skulle være brannsikre, brant opp og spredte seg til kritiske kontrolllinjer. Selv om det er umulig å si sikkert, antas det at den elektriske lysbuen mellom IFE-ledningene var årsaken til brannen. Selv om disse ledningene er utstyrt med effektbrytere, løses de ikke på grunn av lysbue. Dette er et sant tilfelle av 229 dødsfall forårsaket av utilstrekkelig kretsbeskyttelse. Slike kretser er nå utstyrt med buefeildeteksjonsbeskyttelse for å utløse når en lysbue blir registrert (ikke inkludert buen produsert ved normale operasjoner som å trykke på en bryter).

Usb-pd bringer mer fare

Selv om den sveitsiske MD-11 er forårsaket av elektrisk feil snarere enn elektronisk feil, men nå er flere og flere kretser nok til å produsere lysbue (og kan utsette livets brann) av spenning og strøm, for eksempel oppgradering av USB-strømforsyningen (USB - PD), den kan støtte opptil 20 v og 5 a (maksimal effekt på 100 w) høyspenning og strøm. Sammenlignet med 5V spenning og 3A strøm (15W) til USB type-c, er oppgraderingen av usb-pd en stor forbedring, men det øker også risikoen for fare.

I tillegg til risikoen forbundet med høyspenning og strøm, kan usb-pd forårsake andre problemer når de brukes med USB-type-c-kontakter og kabler. Dette fordi pinneavstanden til USB type-c-kontakten bare er 0,5 mm, en femtedel av den for type-a- og type-b-kontaktene, og dermed øker risikoen for en kortslutning på grunn av den svake forvrengningen av kontakten under innsetting eller fjerning. Urenheter som bygger seg opp inni kontakten kan ha en lignende effekt. I tillegg har populariteten til USB type-c også ført til betydelig utvikling av kabler, selv om mange kabler fremdeles ikke er i stand til å ha 100W strøm, men de er ikke identifisert. Disse skiltene garanterer imidlertid ikke sikkerhet; Hvis forbrukeren ønsker å bruke en uspesifisert kabel, kan den også kobles til en usb-pd-kontakt så enkelt som en kvalifisert kabel.

Buer er ikke den eneste faren når usb-pd brukes ved høye spenninger og strømmer. Fordi hovedbussens strømnål er veldig nær kontaktenes andre pinner, kan en kortslutning lett eksponere nedstrømselektronikken for en strømstøt som en 20V kortslutningsspenning som kan forårsake en feil. For eksempel kan induktansen til en meter lang USB-kabel "svinge", noe som fører til at toppspenningen er mye høyere enn 20V kortslutningsspenning (noen ganger dobbelt så høy). For noen applikasjoner kan svikt i nedstrøms utstyr som er påvirket av overspenning føre til sikkerhetsproblemer, da de enhetene som vanligvis brukes til å kontrollere maksimal driftsstrøm og spenning på kabler er de mest utsatte for skader.

Full kretsbeskyttelse

Usb-pd kan produsere buer eller skade komponenter når de kjører med høyest nominell strøm og spenning, så det kan ikke sies at beskyttelseskretsen er helt ubrukelig. I applikasjoner der usb-pd maksimal strømmodus ofte brukes, for eksempel når du lader et bærbart datamaskinbatteri, må du ha full kretsbeskyttelse.

Overgangsspenningssuppresjonsdioder (TVS) -dioder installert mellom pinnen og bakken på en USB-type c-stikkontakt er relativt enkel og billig kretsbeskyttelse. Ved en kortvarig kortslutning "klemmer" TVS-dioden toppspenningen til et nivå som den tilkoblede delen tåler. Mens TVS-dioder gir god forbigående beskyttelse, er de ikke ideelle for kontinuerlige overspenningsbegivenheter. For å løse disse problemene er det nødvendig med en ekstra krets, lik overspenningsbeskyttelse, parret med en n-kanals MOSFET. Under en kontinuerlig overspenningshendelse utløser beskyttelsen nMOSFET for å koble fra lasten fra inngangen, og forhindrer derved overbelastning av den tilkoblede nedstrømsanordningen. Men TVS-dioder, vakter og nmosfeter tåler fremdeles ikke alle overspenningssituasjoner; Noen ganger forekommer kortslutning rundt USB-kabler. I dette tilfellet er induktansen til stikkontakten veldig lav, noe som gjør at spenningen stiger raskere enn responshastigheten til beskyttelsesanordningen og nMOSFET, slik at flere klemmeinnretninger kan brukes til å forlenge spenningsstigningstiden, slik at beskyttelsesanordningen har nok på tide å kutte av.

Omfattende beskyttelse øker praktisk talt kostnadene og kompleksiteten til usb-pd-applikasjoner, men dette kan unngås ved å velge riktige komponenter. Produsenter begynner nå å tilby integrerte enheter som integrerer TVS-dioder, beskyttelse og klemmer i en enkelt pakke (nMOSFET holdes vanligvis som en diskret brikke), og sparer penger og plass, samtidig som design av usb-pd-beskyttelse forenkles.

konklusjon

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. Kretsbeskyttelse er som forsikring; i beste fall kan det sees på som en ettertanke, og selv når det er installert på plass, er det ofte ikke nok. Mens underinvestering i forsikring kan true den stabile driften av en virksomhet, kan mangelfull kretsbeskyttelse føre til mer alvorlige konsekvenser som tap av liv.


Vi illustrerer viktigheten av kretsbeskyttelse i tilfelle swissair flight 111, som gikk fra John f. Kennedy internasjonale flyplass i New York 2. september 1998. Flyet ble operert av den 7 år gamle McDonnell Douglas md-11, som nylig oppgraderte sitt underholdningssystem (IFE). Røyk fra 52 minutter etter å ha tatt av, cockpiten plutselig og mannskapet erklærte øyeblikkelig en unntakstilstand, og prøvde å veksle til Halifax, flyplassen, men på grunn av cockpitloftet førte elektrisk kontrollkabel brannen ut av kontroll og krasjet i 8 km fra havet fra nova scotia-kysten, og drepte alle 215 passasjerer og 14 besetningsmedlemmer.

Undersøkelsen av krasjet fant ut at materialene som ble brukt i en seksjon av den nye IFE var hovedårsaken til krasjet, og at materialene, som visstnok skulle være brannsikre, brant opp og spredte seg til kritiske kontrolllinjer. Selv om det er umulig å si sikkert, antas det at den elektriske lysbuen mellom IFE-ledningene var årsaken til brannen. Selv om disse ledningene er utstyrt med effektbrytere, løses de ikke på grunn av lysbue. Dette er et sant tilfelle av 229 dødsfall forårsaket av utilstrekkelig kretsbeskyttelse. Slike kretser er nå utstyrt med buefeildeteksjonsbeskyttelse for å utløse når en lysbue blir registrert (ikke inkludert buen produsert ved normale operasjoner som å trykke på en bryter).

Usb-pd bringer mer fare

Selv om den sveitsiske MD-11 er forårsaket av elektrisk feil snarere enn elektronisk feil, men nå er flere og flere kretser nok til å produsere lysbue (og kan utsette livets brann) av spenning og strøm, for eksempel oppgradering av USB-strømforsyningen (USB - PD), den kan støtte opptil 20 v og 5 a (maksimal effekt på 100 w) høyspenning og strøm. Sammenlignet med 5V spenning og 3A strøm (15W) til USB type-c, er oppgraderingen av usb-pd en stor forbedring, men det øker også risikoen for fare.

I tillegg til risikoen forbundet med høyspenning og strøm, kan usb-pd forårsake andre problemer når de brukes med USB-type-c-kontakter og kabler. Dette fordi pinneavstanden til USB type-c-kontakten bare er 0,5 mm, en femtedel av den for type-a- og type-b-kontaktene, og dermed øker risikoen for en kortslutning på grunn av den svake forvrengningen av kontakten under innsetting eller fjerning. Urenheter som bygger seg opp inni kontakten kan ha en lignende effekt. I tillegg har populariteten til USB type-c også ført til betydelig utvikling av kabler, selv om mange kabler fremdeles ikke er i stand til å ha 100W strøm, men de er ikke identifisert. Disse skiltene garanterer imidlertid ikke sikkerhet; Hvis forbrukeren ønsker å bruke en uspesifisert kabel, kan den også kobles til en usb-pd-kontakt så enkelt som en kvalifisert kabel.

Buer er ikke den eneste faren når usb-pd brukes ved høye spenninger og strømmer. Fordi hovedbussens strømnål er veldig nær kontaktenes andre pinner, kan en kortslutning lett eksponere nedstrømselektronikken for en strømstøt som en 20V kortslutningsspenning som kan forårsake en feil. For eksempel kan induktansen til en meter lang USB-kabel "svinge", noe som fører til at toppspenningen er mye høyere enn 20V kortslutningsspenning (noen ganger dobbelt så høy). For noen applikasjoner kan svikt i nedstrøms utstyr som er påvirket av overspenning føre til sikkerhetsproblemer, da de enhetene som vanligvis brukes til å kontrollere maksimal driftsstrøm og spenning på kabler er de mest utsatte for skader.

Full kretsbeskyttelse

Usb-pd kan produsere buer eller skade komponenter når de kjører med høyest nominell strøm og spenning, så det kan ikke sies at beskyttelseskretsen er helt ubrukelig. I applikasjoner der usb-pd maksimal strømmodus ofte brukes, for eksempel når du lader et bærbart datamaskinbatteri, må du ha full kretsbeskyttelse.

Overgangsspenningssuppresjonsdioder (TVS) -dioder installert mellom pinnen og bakken på en USB-type c-stikkontakt er relativt enkel og billig kretsbeskyttelse. Ved en kortvarig kortslutning "klemmer" TVS-dioden toppspenningen til et nivå som den tilkoblede delen tåler. Mens TVS-dioder gir god forbigående beskyttelse, er de ikke ideelle for kontinuerlige overspenningsbegivenheter. For å løse disse problemene er det nødvendig med en ekstra krets, lik overspenningsbeskyttelse, parret med en n-kanals MOSFET. Under en kontinuerlig overspenningshendelse utløser beskyttelsen nMOSFET for å koble fra lasten fra inngangen, og forhindrer derved overbelastning av den tilkoblede nedstrømsanordningen. Men TVS-dioder, vakter og nmosfeter tåler fremdeles ikke alle overspenningssituasjoner; Noen ganger forekommer kortslutning rundt USB-kabler. I dette tilfellet er induktansen til stikkontakten veldig lav, noe som gjør at spenningen stiger raskere enn responshastigheten til beskyttelsesanordningen og nMOSFET, slik at flere klemmeinnretninger kan brukes til å forlenge spenningsstigningstiden, slik at beskyttelsesanordningen har nok på tide å kutte av.

Omfattende beskyttelse øker praktisk talt kostnadene og kompleksiteten til usb-pd-applikasjoner, men dette kan unngås ved å velge riktige komponenter. Produsenter begynner nå å tilby integrerte enheter som integrerer TVS-dioder, beskyttelse og klemmer i en enkelt pakke (nMOSFET holdes vanligvis som en diskret brikke), og sparer penger og plass, samtidig som design av usb-pd-beskyttelse forenkles.