Η προστασία κυκλωμάτων δεν θα είναι ποτέ το τέλος της ανάπτυξης ηλεκτρονικών

Η προστασία κυκλώματος είναι σαν ασφάλιση. στην καλύτερη περίπτωση, μπορεί να θεωρηθεί ως μεταγενέστερη σκέψη, και ακόμη και όταν είναι εγκατεστημένο στη θέση του, συχνά δεν αρκεί. Ενώ η ανεπαρκής επένδυση στην ασφάλιση μπορεί να απειλήσει τη σταθερή λειτουργία μιας επιχείρησης, η ανεπαρκής προστασία κυκλώματος μπορεί να οδηγήσει σε πιο σοβαρές συνέπειες όπως απώλεια ζωής.

Απεικονίζουμε τη σημασία της προστασίας κυκλώματος στην περίπτωση της πτήσης 111 της Ελβετίας, η οποία αναχώρησε από τον John f. Το διεθνές αεροδρόμιο του Κένεντι στη Νέα Υόρκη στις 2 Σεπτεμβρίου 1998. Η πτήση πραγματοποιήθηκε από τον 7χρονο McDonnell Douglas md-11, ο οποίος πρόσφατα αναβάθμισε το σύστημα ψυχαγωγίας κατά την πτήση (IFE). Καπνός από 52 λεπτά μετά την απογείωση, το πιλοτήριο ξαφνικά και το πλήρωμα κήρυξε αμέσως κατάσταση αντιμετώπισης έκτακτης ανάγκης και προσπάθησε να εναλλάξει στο Halifax, το αεροδρόμιο, αλλά λόγω του ηλεκτρικού καλωδίου οροφής πιλοτηρίου προκάλεσε την πυρκαγιά εκτός ελέγχου και έπεσε σε 8 χιλιόμετρα από τη θάλασσα από την ακτή της Νέας Σκοτίας, σκοτώνοντας και τους 215 επιβάτες και 14 μέλη του πληρώματος.

Η έρευνα συντριβής διαπίστωσε ότι τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν σε ένα τμήμα του νέου IFE ήταν η κύρια αιτία της συντριβής και ότι τα υλικά, τα οποία υποτίθεται ότι ήταν πυρίμαχα, κάηκαν και εξαπλώθηκαν σε κρίσιμες γραμμές ελέγχου. Αν και είναι αδύνατο να πούμε με βεβαιότητα, θεωρείται ότι το ηλεκτρικό τόξο μεταξύ των καλωδίων IFE ήταν η αιτία της πυρκαγιάς. Αν και αυτά τα καλώδια είναι εφοδιασμένα με διακόπτες κυκλώματος, δεν ενεργοποιούνται λόγω τόξου. Πρόκειται για πραγματική περίπτωση 229 θανάτων που προκαλούνται από ανεπαρκή προστασία κυκλώματος. Τέτοια κυκλώματα είναι πλέον εξοπλισμένα με προστατευτικά ανίχνευσης σφαλμάτων τόξου για διακοπή όταν ανιχνεύεται ένα τόξο (δεν συμπεριλαμβάνεται το τόξο που παράγεται από κανονικές λειτουργίες όπως το πάτημα ενός διακόπτη).

Το usb-pd φέρνει μεγαλύτερο κίνδυνο

Αν και το ελβετικό MD - 11 προκαλείται από ηλεκτρική βλάβη παρά ηλεκτρονική βλάβη, αλλά τώρα όλο και περισσότερα κυκλώματα είναι αρκετά για να παράγουν τόξο (και μπορεί να θέσουν σε κίνδυνο τη φωτιά της ζωής) τάσης και ρεύματος, όπως η αναβάθμιση του τροφοδοτικού USB (USB - PD), μπορεί να υποστηρίξει έως και 20 v και 5 a (μέγιστη ισχύς 100 w) υψηλής τάσης και ρεύματος. Σε σύγκριση με την τάση 5V και το ρεύμα 3A (15W) USB τύπου-c, η αναβάθμιση του usb-pd είναι μια μεγάλη βελτίωση, αλλά αυξάνει επίσης σημαντικά την πιθανότητα κινδύνου.

Εκτός από τους κινδύνους που σχετίζονται με υψηλή τάση και ρεύμα, το usb-pd μπορεί να προκαλέσει άλλα προβλήματα όταν χρησιμοποιούνται με βύσματα USB και καλώδια τύπου c. Αυτό συμβαίνει επειδή η απόσταση των ακίδων του βύσματος USB τύπου-c είναι μόνο 0,5 mm, το ένα πέμπτο των συνδέσμων τύπου-α και τύπου-β, αυξάνοντας έτσι τον κίνδυνο βραχυκυκλώματος Α λόγω της ελαφράς παραμόρφωσης του συνδέσμου κατά τη διάρκεια εισαγωγή ή αφαίρεση. Οι ακαθαρσίες που συσσωρεύονται στο εσωτερικό του συνδετήρα μπορούν να έχουν παρόμοιο αποτέλεσμα. Επιπλέον, η δημοτικότητα του USB τύπου-c οδήγησε επίσης στη σημαντική ανάπτυξη καλωδίων, αν και πολλά καλώδια εξακολουθούν να μην μπορούν να μεταφέρουν 100W ισχύος, αλλά δεν αναγνωρίζονται. Ωστόσο, αυτά τα σημάδια δεν εγγυώνται την ασφάλεια. Εάν ο καταναλωτής θέλει να χρησιμοποιήσει ένα μη καθορισμένο καλώδιο, μπορεί επίσης να συνδεθεί σε μια υποδοχή usb-pd τόσο εύκολα όσο ένα εξειδικευμένο καλώδιο.

Τα τόξα δεν είναι ο μόνος κίνδυνος όταν το usb-pd χρησιμοποιείται σε υψηλές τάσεις και ρεύματα. Επειδή ο κύριος ακροδέκτης τροφοδοσίας διαύλου είναι πολύ κοντά στις άλλες ακίδες του συνδετήρα, ένα βραχυκύκλωμα μπορεί εύκολα να εκθέσει τα ηλεκτρονικά κατάντη σε μια τάση ισχύος, όπως μια τάση βραχυκυκλώματος 20V που μπορεί να προκαλέσει σφάλμα. Για παράδειγμα, η επαγωγή ενός καλωδίου USB μήκους ενός μέτρου μπορεί να "ταλαντευθεί", προκαλώντας την μέγιστη τάση να είναι πολύ υψηλότερη από την τάση βραχυκυκλώματος 20V (μερικές φορές διπλάσια). Για ορισμένες εφαρμογές, η βλάβη του μεταγενέστερου εξοπλισμού που επηρεάζεται από την υπέρταση μπορεί να προκαλέσει προβλήματα ασφαλείας, καθώς αυτές οι συσκευές που χρησιμοποιούνται συνήθως για τον έλεγχο του μέγιστου ρεύματος λειτουργίας και της τάσης των καλωδίων είναι οι πιο ευάλωτες σε ζημιές.

Πλήρης προστασία κυκλώματος

Το usb-pd μπορεί να παράγει τόξα ή να καταστρέψει εξαρτήματα όταν λειτουργεί με το υψηλότερο ρεύμα και τάση, οπότε δεν μπορεί να ειπωθεί ότι το κύκλωμα προστασίας είναι εντελώς άχρηστο. Σε εφαρμογές όπου χρησιμοποιείται συχνά η λειτουργία μέγιστης ισχύος usb-pd, για παράδειγμα κατά τη φόρτιση μιας φορητής μπαταρίας υπολογιστή, πρέπει να παρέχεται πλήρης προστασία κυκλώματος.

Οι διόδους προσωρινής καταστολής τάσης (TVS) που είναι εγκατεστημένες μεταξύ του πείρου και της γείωσης μιας υποδοχής USB τύπου-c είναι σχετικά απλές και φθηνές προστασία κυκλώματος. Στην περίπτωση παροδικού βραχυκυκλώματος, η δίοδος TVS «πιέζει» την μέγιστη τάση σε επίπεδο που μπορεί να αντέξει το συνδεδεμένο τμήμα. Ενώ οι δίοδοι TVS παρέχουν καλή παροδική προστασία, δεν είναι ιδανικές για συνεχή συμβάντα υπέρτασης. Για την επίλυση αυτών των προβλημάτων, απαιτείται ένα επιπλέον κύκλωμα, παρόμοιο με την προστασία από υπέρταση, σε συνδυασμό με ένα κανάλι n-MOSFET. Κατά τη διάρκεια ενός συνεχούς συμβάντος υπέρτασης, ο προφυλακτήρας ενεργοποιεί το nMOSFET να αποσυνδέσει το φορτίο από την είσοδο, αποτρέποντας έτσι την υπερφόρτωση της συνδεδεμένης κατάντη συσκευής. Ωστόσο, οι δίοδοι TVS, οι προφυλακτήρες και τα nmosfets εξακολουθούν να μην αντέχουν σε όλες τις καταστάσεις υπέρτασης. Περιστασιακά, εμφανίζονται βραχυκύκλωμα γύρω από καλώδια USB. Σε αυτήν την περίπτωση, η επαγωγή της υποδοχής είναι πολύ χαμηλή, κάνοντας την τάση να αυξάνεται γρηγορότερα από την ταχύτητα απόκρισης της συσκευής προστασίας και του nMOSFET, έτσι μπορούν να χρησιμοποιηθούν περισσότερες συσκευές σύσφιξης για την παράταση του χρόνου αύξησης τάσης, έτσι ώστε η συσκευή προστασίας να έχει αρκετό ώρα να κοπεί.

Η ολοκληρωμένη προστασία αυξάνει ουσιαστικά το κόστος και την πολυπλοκότητα των εφαρμογών usb-pd, αλλά αυτό μπορεί να αποφευχθεί επιλέγοντας τα σωστά στοιχεία. Οι κατασκευαστές αρχίζουν τώρα να προσφέρουν ολοκληρωμένες συσκευές που ενσωματώνουν διόδους TVS, προστασία και σφιγκτήρες σε ένα μόνο πακέτο (το nMOSFET διατηρείται συνήθως ως ξεχωριστό τσιπ), εξοικονομώντας χρήματα και χώρο ενώ απλοποιεί τον σχεδιασμό προστασίας usb-pd.

συμπέρασμα

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. Η προστασία κυκλώματος είναι σαν ασφάλιση. στην καλύτερη περίπτωση, μπορεί να θεωρηθεί ως μεταγενέστερη σκέψη, και ακόμη και όταν είναι εγκατεστημένο στη θέση του, συχνά δεν αρκεί. Ενώ η ανεπαρκής επένδυση στην ασφάλιση μπορεί να απειλήσει τη σταθερή λειτουργία μιας επιχείρησης, η ανεπαρκής προστασία κυκλώματος μπορεί να οδηγήσει σε πιο σοβαρές συνέπειες όπως απώλεια ζωής.


Απεικονίζουμε τη σημασία της προστασίας κυκλώματος στην περίπτωση της πτήσης 111 της Ελβετίας, η οποία αναχώρησε από τον John f. Το διεθνές αεροδρόμιο του Κένεντι στη Νέα Υόρκη στις 2 Σεπτεμβρίου 1998. Η πτήση πραγματοποιήθηκε από τον 7χρονο McDonnell Douglas md-11, ο οποίος πρόσφατα αναβάθμισε το σύστημα ψυχαγωγίας κατά την πτήση (IFE). Καπνός από 52 λεπτά μετά την απογείωση, το πιλοτήριο ξαφνικά και το πλήρωμα κήρυξε αμέσως κατάσταση αντιμετώπισης έκτακτης ανάγκης και προσπάθησε να εναλλάξει στο Halifax, το αεροδρόμιο, αλλά λόγω του ηλεκτρικού καλωδίου οροφής πιλοτηρίου προκάλεσε την πυρκαγιά εκτός ελέγχου και έπεσε σε 8 χιλιόμετρα από τη θάλασσα από την ακτή της Νέας Σκοτίας, σκοτώνοντας και τους 215 επιβάτες και 14 μέλη του πληρώματος.

Η έρευνα συντριβής διαπίστωσε ότι τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν σε ένα τμήμα του νέου IFE ήταν η κύρια αιτία της συντριβής και ότι τα υλικά, τα οποία υποτίθεται ότι ήταν πυρίμαχα, κάηκαν και εξαπλώθηκαν σε κρίσιμες γραμμές ελέγχου. Αν και είναι αδύνατο να πούμε με βεβαιότητα, θεωρείται ότι το ηλεκτρικό τόξο μεταξύ των καλωδίων IFE ήταν η αιτία της πυρκαγιάς. Αν και αυτά τα καλώδια είναι εφοδιασμένα με διακόπτες κυκλώματος, δεν ενεργοποιούνται λόγω τόξου. Πρόκειται για πραγματική περίπτωση 229 θανάτων που προκαλούνται από ανεπαρκή προστασία κυκλώματος. Τέτοια κυκλώματα είναι πλέον εξοπλισμένα με προστατευτικά ανίχνευσης σφαλμάτων τόξου για διακοπή όταν ανιχνεύεται ένα τόξο (δεν συμπεριλαμβάνεται το τόξο που παράγεται από κανονικές λειτουργίες όπως το πάτημα ενός διακόπτη).

Το usb-pd φέρνει μεγαλύτερο κίνδυνο

Αν και το ελβετικό MD - 11 προκαλείται από ηλεκτρική βλάβη παρά ηλεκτρονική βλάβη, αλλά τώρα όλο και περισσότερα κυκλώματα είναι αρκετά για να παράγουν τόξο (και μπορεί να θέσουν σε κίνδυνο τη φωτιά της ζωής) τάσης και ρεύματος, όπως η αναβάθμιση του τροφοδοτικού USB (USB - PD), μπορεί να υποστηρίξει έως και 20 v και 5 a (μέγιστη ισχύς 100 w) υψηλής τάσης και ρεύματος. Σε σύγκριση με την τάση 5V και το ρεύμα 3A (15W) USB τύπου-c, η αναβάθμιση του usb-pd είναι μια μεγάλη βελτίωση, αλλά αυξάνει επίσης σημαντικά την πιθανότητα κινδύνου.

Εκτός από τους κινδύνους που σχετίζονται με υψηλή τάση και ρεύμα, το usb-pd μπορεί να προκαλέσει άλλα προβλήματα όταν χρησιμοποιούνται με βύσματα USB και καλώδια τύπου c. Αυτό συμβαίνει επειδή η απόσταση των ακίδων του βύσματος USB τύπου-c είναι μόνο 0,5 mm, το ένα πέμπτο των συνδέσμων τύπου-α και τύπου-β, αυξάνοντας έτσι τον κίνδυνο βραχυκυκλώματος Α λόγω της ελαφράς παραμόρφωσης του συνδέσμου κατά τη διάρκεια εισαγωγή ή αφαίρεση. Οι ακαθαρσίες που συσσωρεύονται στο εσωτερικό του συνδετήρα μπορούν να έχουν παρόμοιο αποτέλεσμα. Επιπλέον, η δημοτικότητα του USB τύπου-c οδήγησε επίσης στη σημαντική ανάπτυξη καλωδίων, αν και πολλά καλώδια εξακολουθούν να μην μπορούν να μεταφέρουν 100W ισχύος, αλλά δεν αναγνωρίζονται. Ωστόσο, αυτά τα σημάδια δεν εγγυώνται την ασφάλεια. Εάν ο καταναλωτής θέλει να χρησιμοποιήσει ένα μη καθορισμένο καλώδιο, μπορεί επίσης να συνδεθεί σε μια υποδοχή usb-pd τόσο εύκολα όσο ένα εξειδικευμένο καλώδιο.

Τα τόξα δεν είναι ο μόνος κίνδυνος όταν το usb-pd χρησιμοποιείται σε υψηλές τάσεις και ρεύματα. Επειδή ο κύριος ακροδέκτης τροφοδοσίας διαύλου είναι πολύ κοντά στις άλλες ακίδες του συνδετήρα, ένα βραχυκύκλωμα μπορεί εύκολα να εκθέσει τα ηλεκτρονικά κατάντη σε μια τάση ισχύος, όπως μια τάση βραχυκυκλώματος 20V που μπορεί να προκαλέσει σφάλμα. Για παράδειγμα, η επαγωγή ενός καλωδίου USB μήκους ενός μέτρου μπορεί να "ταλαντευθεί", προκαλώντας την μέγιστη τάση να είναι πολύ υψηλότερη από την τάση βραχυκυκλώματος 20V (μερικές φορές διπλάσια). Για ορισμένες εφαρμογές, η βλάβη του μεταγενέστερου εξοπλισμού που επηρεάζεται από την υπέρταση μπορεί να προκαλέσει προβλήματα ασφαλείας, καθώς αυτές οι συσκευές που χρησιμοποιούνται συνήθως για τον έλεγχο του μέγιστου ρεύματος λειτουργίας και της τάσης των καλωδίων είναι οι πιο ευάλωτες σε ζημιές.

Πλήρης προστασία κυκλώματος

Το usb-pd μπορεί να παράγει τόξα ή να καταστρέψει εξαρτήματα όταν λειτουργεί με το υψηλότερο ρεύμα και τάση, οπότε δεν μπορεί να ειπωθεί ότι το κύκλωμα προστασίας είναι εντελώς άχρηστο. Σε εφαρμογές όπου χρησιμοποιείται συχνά η λειτουργία μέγιστης ισχύος usb-pd, για παράδειγμα κατά τη φόρτιση μιας φορητής μπαταρίας υπολογιστή, πρέπει να παρέχεται πλήρης προστασία κυκλώματος.

Οι διόδους προσωρινής καταστολής τάσης (TVS) που είναι εγκατεστημένες μεταξύ του πείρου και της γείωσης μιας υποδοχής USB τύπου-c είναι σχετικά απλές και φθηνές προστασία κυκλώματος. Στην περίπτωση παροδικού βραχυκυκλώματος, η δίοδος TVS «πιέζει» την μέγιστη τάση σε επίπεδο που μπορεί να αντέξει το συνδεδεμένο τμήμα. Ενώ οι δίοδοι TVS παρέχουν καλή παροδική προστασία, δεν είναι ιδανικές για συνεχή συμβάντα υπέρτασης. Για την επίλυση αυτών των προβλημάτων, απαιτείται ένα επιπλέον κύκλωμα, παρόμοιο με την προστασία από υπέρταση, σε συνδυασμό με ένα κανάλι n-MOSFET. Κατά τη διάρκεια ενός συνεχούς συμβάντος υπέρτασης, ο προφυλακτήρας ενεργοποιεί το nMOSFET να αποσυνδέσει το φορτίο από την είσοδο, αποτρέποντας έτσι την υπερφόρτωση της συνδεδεμένης κατάντη συσκευής. Ωστόσο, οι δίοδοι TVS, οι προφυλακτήρες και τα nmosfets εξακολουθούν να μην αντέχουν σε όλες τις καταστάσεις υπέρτασης. Περιστασιακά, εμφανίζονται βραχυκύκλωμα γύρω από καλώδια USB. Σε αυτήν την περίπτωση, η επαγωγή της υποδοχής είναι πολύ χαμηλή, κάνοντας την τάση να αυξάνεται γρηγορότερα από την ταχύτητα απόκρισης της συσκευής προστασίας και του nMOSFET, έτσι μπορούν να χρησιμοποιηθούν περισσότερες συσκευές σύσφιξης για την παράταση του χρόνου αύξησης τάσης, έτσι ώστε η συσκευή προστασίας να έχει αρκετό ώρα να κοπεί.

Η ολοκληρωμένη προστασία αυξάνει ουσιαστικά το κόστος και την πολυπλοκότητα των εφαρμογών usb-pd, αλλά αυτό μπορεί να αποφευχθεί επιλέγοντας τα σωστά στοιχεία. Οι κατασκευαστές αρχίζουν τώρα να προσφέρουν ολοκληρωμένες συσκευές που ενσωματώνουν διόδους TVS, προστασία και σφιγκτήρες σε ένα μόνο πακέτο (το nMOSFET διατηρείται συνήθως ως ξεχωριστό τσιπ), εξοικονομώντας χρήματα και χώρο ενώ απλοποιεί τον σχεδιασμό προστασίας usb-pd.