Perlindungan litar tidak akan menjadi penghujung perkembangan elektronik

Perlindungan litar adalah seperti insurans; paling baik, ia dapat dilihat sebagai pemikiran semula, dan walaupun dipasang di tempatnya, selalunya ia tidak mencukupi. Walaupun kekurangan pelaburan dalam insurans boleh mengancam operasi perniagaan yang stabil, perlindungan litar yang tidak mencukupi dapat menyebabkan akibat yang lebih serius seperti kehilangan nyawa.

Kami menggambarkan pentingnya perlindungan litar dalam kes penerbangan swissair 111, yang berlepas dari John f. Lapangan terbang antarabangsa Kennedy di New York pada 2 September 1998. Penerbangan ini dikendalikan oleh McDonnell Douglas md-11 yang berusia 7 tahun, yang baru-baru ini meningkatkan sistem hiburan dalam penerbangan (IFE). Asap dari 52 minit setelah berlepas, kokpit tiba-tiba dan kru segera menyatakan keadaan kecemasan, dan cuba beralih ke halifax, lapangan terbang, tetapi kerana kabel kawalan elektrik siling kokpit menyebabkan api terbakar di luar kawalan dan terhempas di 8 km laut dari pantai nova scotia, membunuh semua 215 penumpang dan 14 anak kapal.

Siasatan kemalangan mendapati bahawa bahan yang digunakan dalam satu bahagian IFE baru adalah penyebab utama kemalangan itu, dan bahan yang sepatutnya tahan api, terbakar dan menyebar ke garis kawalan kritikal. Walaupun mustahil untuk dinyatakan dengan pasti, diandaikan bahawa arka elektrik di antara wayar IFE adalah penyebab kebakaran. Walaupun wayar ini dilengkapi dengan pemutus litar, ia tidak tersekat kerana arka. Ini adalah kes sebenar 229 kematian disebabkan oleh perlindungan litar yang tidak mencukupi. Litar sedemikian kini dilengkapi dengan perlindungan pengesanan kerosakan arka untuk tersandung ketika busur dirasakan (tidak termasuk busur yang dihasilkan oleh operasi biasa seperti menekan suis).

Usb-pd membawa lebih banyak bahaya

Walaupun Swiss MD - 11 disebabkan oleh kerosakan elektrik dan bukannya kerosakan elektronik, tetapi kini semakin banyak litar yang mencukupi untuk menghasilkan arc (dan boleh membahayakan nyawa) voltan dan arus, seperti peningkatan bekalan kuasa USB (USB - PD), ia boleh menyokong voltan tinggi dan arus hingga 20 v dan 5 a (kuasa maksimum 100 w). Berbanding dengan voltan 5V dan arus 3A (15W) USB jenis-c, peningkatan usb-pd adalah peningkatan yang besar, tetapi juga meningkatkan kemungkinan bahaya.

Sebagai tambahan kepada risiko yang berkaitan dengan voltan tinggi dan arus, usb-pd boleh menyebabkan masalah lain ketika digunakan dengan penyambung dan kabel USB-c. Ini kerana jarak pin penyambung USB jenis-c hanya 0.5mm, seperlima dari penyambung jenis-a dan jenis-b, sehingga meningkatkan risiko litar pintas A kerana sedikit penyimpangan penyambung semasa penyisipan atau penyingkiran. Kekotoran yang timbul di dalam penyambung boleh memberi kesan yang serupa. Selain itu, populariti USB type-c juga menyebabkan pengembangan kabel yang ketara, walaupun banyak kabel masih tidak dapat membawa daya 100W, tetapi tidak dapat dikenal pasti. Walau bagaimanapun, tanda-tanda ini tidak menjamin keselamatan; Sekiranya pengguna ingin menggunakan kabel yang tidak ditentukan, ia juga boleh dipasang ke soket usb-pd semudah kabel yang layak.

Busur bukan satu-satunya bahaya apabila usb-pd digunakan pada voltan dan arus tinggi. Oleh kerana pin kuasa bas utama sangat dekat dengan pin penyambung yang lain, litar pintas dapat dengan mudah mendedahkan elektronik hilir ke lonjakan kuasa seperti voltan litar pintas 20V yang boleh menyebabkan kerosakan. Sebagai contoh, induktansi kabel USB sepanjang satu meter dapat "berayun", menyebabkan voltan puncak jauh lebih tinggi daripada voltan litar pintas 20V (kadang-kadang dua kali lebih tinggi). Untuk beberapa aplikasi, kegagalan peralatan hilir yang dipengaruhi oleh voltan berlebihan boleh menyebabkan masalah keselamatan, kerana peranti yang biasanya digunakan untuk mengawal arus operasi maksimum dan voltan kabel adalah yang paling rentan terhadap kerosakan.

Perlindungan litar penuh

Usb-pd dapat menghasilkan busur atau merosakkan komponen semasa berjalan pada arus dan voltan yang diberi nilai tertinggi, jadi tidak dapat dikatakan bahawa litar perlindungan sama sekali tidak berguna. Dalam aplikasi di mana mod kuasa maksimum usb-pd sering digunakan, misalnya ketika mengecas bateri komputer mudah alih, perlindungan litar penuh mesti disediakan.

Diod penekanan voltan sementara (TVS) yang dipasang di antara pin dan ground soket USB-c adalah perlindungan litar yang agak mudah dan murah. Sekiranya litar pintas sementara, dioda TVS "mencubit" voltan puncak ke tahap yang dapat menahan bahagian yang disambungkan. Walaupun dioda TVS memberikan perlindungan sementara yang baik, dioda tidak sesuai untuk kejadian voltan berterusan. Untuk menyelesaikan masalah ini, litar tambahan, serupa dengan perlindungan voltan berlebihan, dipasangkan dengan MOSFET saluran-n diperlukan. Semasa kejadian voltan berterusan, penjaga memicu nMOSFET untuk memutuskan beban dari input, dengan itu dapat mengelakkan beban berlebihan dari peranti hilir yang disambungkan. Tetapi dioda TVS, pengawal, dan nmosfet masih tidak dapat menahan semua situasi voltan; Kadang-kadang, berlaku litar pintas di sekitar kabel USB. Dalam kes ini, induktansi soket sangat rendah, menjadikan voltan meningkat lebih cepat daripada kelajuan tindak balas peranti perlindungan dan nMOSFET, jadi lebih banyak alat penjepit dapat digunakan untuk memperpanjang waktu kenaikan voltan, sehingga perangkat perlindungan memiliki cukup masa untuk memotong.

Perlindungan yang komprehensif hampir meningkatkan kos dan kerumitan aplikasi usb-pd, tetapi ini dapat dielakkan dengan memilih komponen yang tepat. Pengilang kini mula menawarkan peranti bersepadu yang mengintegrasikan dioda TVS, perlindungan dan penjepit ke dalam satu paket (nMOSFET biasanya disimpan sebagai cip diskrit), menjimatkan wang dan ruang sambil mempermudah reka bentuk perlindungan usb-pd.

kesimpulan

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. Perlindungan litar adalah seperti insurans; paling baik, ia dapat dilihat sebagai pemikiran semula, dan walaupun dipasang di tempatnya, selalunya ia tidak mencukupi. Walaupun kekurangan pelaburan dalam insurans boleh mengancam operasi perniagaan yang stabil, perlindungan litar yang tidak mencukupi dapat menyebabkan akibat yang lebih serius seperti kehilangan nyawa.


Kami menggambarkan pentingnya perlindungan litar dalam kes penerbangan swissair 111, yang berlepas dari John f. Lapangan terbang antarabangsa Kennedy di New York pada 2 September 1998. Penerbangan ini dikendalikan oleh McDonnell Douglas md-11 yang berusia 7 tahun, yang baru-baru ini meningkatkan sistem hiburan dalam penerbangan (IFE). Asap dari 52 minit setelah berlepas, kokpit tiba-tiba dan kru segera menyatakan keadaan kecemasan, dan cuba beralih ke halifax, lapangan terbang, tetapi kerana kabel kawalan elektrik siling kokpit menyebabkan api terbakar di luar kawalan dan terhempas di 8 km laut dari pantai nova scotia, membunuh semua 215 penumpang dan 14 anak kapal.

Siasatan kemalangan mendapati bahawa bahan yang digunakan dalam satu bahagian IFE baru adalah penyebab utama kemalangan itu, dan bahan yang sepatutnya tahan api, terbakar dan menyebar ke garis kawalan kritikal. Walaupun mustahil untuk dinyatakan dengan pasti, diandaikan bahawa arka elektrik di antara wayar IFE adalah penyebab kebakaran. Walaupun wayar ini dilengkapi dengan pemutus litar, ia tidak tersekat kerana arka. Ini adalah kes sebenar 229 kematian disebabkan oleh perlindungan litar yang tidak mencukupi. Litar sedemikian kini dilengkapi dengan perlindungan pengesanan kerosakan arka untuk tersandung ketika busur dirasakan (tidak termasuk busur yang dihasilkan oleh operasi biasa seperti menekan suis).

Usb-pd membawa lebih banyak bahaya

Walaupun Swiss MD - 11 disebabkan oleh kerosakan elektrik dan bukannya kerosakan elektronik, tetapi kini semakin banyak litar yang mencukupi untuk menghasilkan arc (dan boleh membahayakan nyawa) voltan dan arus, seperti peningkatan bekalan kuasa USB (USB - PD), ia boleh menyokong voltan tinggi dan arus hingga 20 v dan 5 a (kuasa maksimum 100 w). Berbanding dengan voltan 5V dan arus 3A (15W) USB jenis-c, peningkatan usb-pd adalah peningkatan yang besar, tetapi juga meningkatkan kemungkinan bahaya.

Sebagai tambahan kepada risiko yang berkaitan dengan voltan tinggi dan arus, usb-pd boleh menyebabkan masalah lain ketika digunakan dengan penyambung dan kabel USB-c. Ini kerana jarak pin penyambung USB jenis-c hanya 0.5mm, seperlima dari penyambung jenis-a dan jenis-b, sehingga meningkatkan risiko litar pintas A kerana sedikit penyimpangan penyambung semasa penyisipan atau penyingkiran. Kekotoran yang timbul di dalam penyambung boleh memberi kesan yang serupa. Selain itu, populariti USB type-c juga menyebabkan pengembangan kabel yang ketara, walaupun banyak kabel masih tidak dapat membawa daya 100W, tetapi tidak dapat dikenal pasti. Walau bagaimanapun, tanda-tanda ini tidak menjamin keselamatan; Sekiranya pengguna ingin menggunakan kabel yang tidak ditentukan, ia juga boleh dipasang ke soket usb-pd semudah kabel yang layak.

Busur bukan satu-satunya bahaya apabila usb-pd digunakan pada voltan dan arus tinggi. Oleh kerana pin kuasa bas utama sangat dekat dengan pin penyambung yang lain, litar pintas dapat dengan mudah mendedahkan elektronik hilir ke lonjakan kuasa seperti voltan litar pintas 20V yang boleh menyebabkan kerosakan. Sebagai contoh, induktansi kabel USB sepanjang satu meter dapat "berayun", menyebabkan voltan puncak jauh lebih tinggi daripada voltan litar pintas 20V (kadang-kadang dua kali lebih tinggi). Untuk beberapa aplikasi, kegagalan peralatan hilir yang dipengaruhi oleh voltan berlebihan boleh menyebabkan masalah keselamatan, kerana peranti yang biasanya digunakan untuk mengawal arus operasi maksimum dan voltan kabel adalah yang paling rentan terhadap kerosakan.

Perlindungan litar penuh

Usb-pd dapat menghasilkan busur atau merosakkan komponen semasa berjalan pada arus dan voltan yang diberi nilai tertinggi, jadi tidak dapat dikatakan bahawa litar perlindungan sama sekali tidak berguna. Dalam aplikasi di mana mod kuasa maksimum usb-pd sering digunakan, misalnya ketika mengecas bateri komputer mudah alih, perlindungan litar penuh mesti disediakan.

Diod penekanan voltan sementara (TVS) yang dipasang di antara pin dan ground soket USB-c adalah perlindungan litar yang agak mudah dan murah. Sekiranya litar pintas sementara, dioda TVS "mencubit" voltan puncak ke tahap yang dapat menahan bahagian yang disambungkan. Walaupun dioda TVS memberikan perlindungan sementara yang baik, dioda tidak sesuai untuk kejadian voltan berterusan. Untuk menyelesaikan masalah ini, litar tambahan, serupa dengan perlindungan voltan berlebihan, dipasangkan dengan MOSFET saluran-n diperlukan. Semasa kejadian voltan berterusan, penjaga memicu nMOSFET untuk memutuskan beban dari input, dengan itu dapat mengelakkan beban berlebihan dari peranti hilir yang disambungkan. Tetapi dioda TVS, pengawal, dan nmosfet masih tidak dapat menahan semua situasi voltan; Kadang-kadang, berlaku litar pintas di sekitar kabel USB. Dalam kes ini, induktansi soket sangat rendah, menjadikan voltan meningkat lebih cepat daripada kelajuan tindak balas peranti perlindungan dan nMOSFET, jadi lebih banyak alat penjepit dapat digunakan untuk memperpanjang waktu kenaikan voltan, sehingga perangkat perlindungan memiliki cukup masa untuk memotong.

Perlindungan yang komprehensif hampir meningkatkan kos dan kerumitan aplikasi usb-pd, tetapi ini dapat dielakkan dengan memilih komponen yang tepat. Pengilang kini mula menawarkan peranti bersepadu yang mengintegrasikan dioda TVS, perlindungan dan penjepit ke dalam satu paket (nMOSFET biasanya disimpan sebagai cip diskrit), menjimatkan wang dan ruang sambil mempermudah reka bentuk perlindungan usb-pd.