Kretsskydd kommer aldrig att vara slutet på elektronikutvecklingen

Kretsskydd är som försäkring; i bästa fall kan det ses som en eftertanke, och även när det installeras på plats räcker det ofta inte. Även om underinvesteringar i försäkringar kan hota en verksamhets stabila drift, kan otillräckligt kretsskydd leda till allvarligare konsekvenser såsom förlust av liv.

Vi illustrerar vikten av kretsskydd i fallet med schweizisk flygning 111, som lämnade John f. Kennedy internationella flygplats i New York den 2 september 1998. Flygningen drivs av den 7 år gamla McDonnell Douglas md-11, som nyligen uppgraderade sitt underhållningssystem (IFE). Rök från 52 minuter efter start, cockpiten plötsligt och besättningen förklarade omedelbart ett nödsituation, och försökte växla till Halifax, flygplatsen, men på grund av taket i cockpit elektriska kontrollkabel orsakade branden bröt ut ur kontroll och kraschade i 8 km från havet från nova scotia-kusten och dödade alla 215 passagerare och 14 besättningsmedlemmar.

Undersökningen av kraschen konstaterade att materialen som användes i ett avsnitt av den nya IFE var den främsta orsaken till kraschen, och att materialen, som var tänkta att vara brandsäkra, brändes upp och spridits till kritiska kontrolllinjer. Även om det är omöjligt att säga säkert, antas det att den elektriska bågen mellan IFE-ledningarna var orsaken till branden. Även om dessa ledningar är utrustade med effektbrytare, löser de inte ut på grund av båge. Detta är ett riktigt fall av 229 dödsfall orsakade av otillräckligt kretsskydd. Sådana kretsar är nu utrustade med bågfeldetekteringsskydd för att lösa när en båge avkänns (inkluderar inte bågen som produceras av normala operationer, t.ex. genom att trycka på en brytare).

Usb-pd ger mer fara

Även om den schweiziska MD-11 orsakas av elektriskt fel snarare än elektroniskt fel, men nu räcker fler och fler kretsar för att producera båge (och kan äventyra livets eld) för spänning och ström, till exempel uppgradering av USB-strömförsörjningen (USB - PD), den kan stödja upp till 20 v och 5 a (maximal effekt på 100 w) högspänning och ström. Jämfört med 5V-spänningen och 3A-strömmen (15W) för USB-typ c är uppgraderingen av usb-pd en stor förbättring, men det ökar också risken för faror kraftigt.

Förutom riskerna med högspänning och ström kan usb-pd orsaka andra problem när de används med USB-typ-c-kontakter och kablar. Detta beror på att stiftavståndet för USB-typ-c-anslutningen endast är 0,5 mm, en femtedel av det för typ a- och typ-b-anslutningarna, vilket ökar risken för en kortslutning på grund av den lilla distorsionen av anslutningen under insättning eller borttagning. Föroreningar som byggs upp inuti kontakten kan ha en liknande effekt. Dessutom har populariteten hos USB-typ c också lett till en betydande utveckling av kablar, även om många kablar fortfarande inte kan ha 100W ström, men de identifieras inte. Dessa tecken garanterar emellertid inte säkerhet; Om konsumenten vill använda en ospecificerad kabel kan den också anslutas till ett USB-pd-uttag lika enkelt som en kvalificerad kabel.

Bågar är inte den enda faran när usb-pd används vid höga spänningar och strömmar. Eftersom huvudbussens kraftstift är mycket nära de andra stiften på anslutningen, kan en kortslutning enkelt utsätta nedströmselektroniken för en kraftöverspänning som en 20V kortslutningsspänning som kan orsaka fel. Till exempel kan induktansen hos en meter lång USB-kabel "svänga", vilket gör att toppspänningen är mycket högre än 20V kortslutningsspänningen (ibland dubbelt så hög). För vissa applikationer kan fel på nedströmsutrustning som påverkas av överspänning orsaka säkerhetsproblem, eftersom de enheter som vanligtvis används för att kontrollera maximal driftsström och spänning i kablar är de mest sårbara för skador.

Fullt kretsskydd

Usb-pd kan producera bågar eller skada komponenter när de körs med högst nominell ström och spänning, så det kan inte sägas att skyddskretsen är helt värdelös. I applikationer där usb-pd maximal effektläge ofta används, till exempel vid laddning av ett bärbart datorbatteri, måste full kretsskydd ges.

TVS-dioder för övergångsspänning installerade mellan stiftet och marken i ett USB-typ c-uttag är relativt enkelt och billigt kretsskydd. Vid en kortvarig kortslutning "klämmer" TVS-dioden toppspänningen till en nivå som den anslutna delen tål. Medan TVS-dioder ger ett bra kortvarigt skydd är de inte idealiska för kontinuerliga överspänningsevenemang. För att lösa dessa problem krävs en ytterligare krets, liknar överspänningsskydd, parad med en n-kanals MOSFET. Under en kontinuerlig överspänningshändelse utlöser skyddet nMOSFET för att koppla bort lasten från ingången och därmed förhindra överbelastning av den anslutna nedströmsanordningen. Men TVS-dioder, vakter och nmosfets tål fortfarande inte alla överspänningssituationer; Ibland uppstår kortslutningar runt USB-kablar. I detta fall är induktansen hos uttaget mycket låg, vilket gör att spänningen stiger snabbare än svarets hastighet för skyddsanordningen och nMOSFET, så fler klämanordningar kan användas för att förlänga spänningsökningstiden, så att skyddsanordningen har tillräckligt dags att avbryta.

Omfattande skydd ökar i praktiken kostnaden och komplexiteten för usb-pd-applikationer, men detta kan undvikas genom att välja rätt komponenter. Tillverkarna börjar nu erbjuda integrerade enheter som integrerar TVS-dioder, skydd och klämmor i ett enda paket (nMOSFET behålls vanligtvis som ett diskret chip), vilket sparar pengar och utrymme och samtidigt förenklar designen för usb-pd-skydd.

slutsats

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. Kretsskydd är som försäkring; i bästa fall kan det ses som en eftertanke, och även när det installeras på plats räcker det ofta inte. Även om underinvesteringar i försäkringar kan hota en verksamhets stabila drift, kan otillräckligt kretsskydd leda till allvarligare konsekvenser såsom förlust av liv.


Vi illustrerar vikten av kretsskydd i fallet med schweizisk flygning 111, som lämnade John f. Kennedy internationella flygplats i New York den 2 september 1998. Flygningen drivs av den 7 år gamla McDonnell Douglas md-11, som nyligen uppgraderade sitt underhållningssystem (IFE). Rök från 52 minuter efter start, cockpiten plötsligt och besättningen förklarade omedelbart ett nödsituation, och försökte växla till Halifax, flygplatsen, men på grund av taket i cockpit elektriska kontrollkabel orsakade branden bröt ut ur kontroll och kraschade i 8 km från havet från nova scotia-kusten och dödade alla 215 passagerare och 14 besättningsmedlemmar.

Undersökningen av kraschen konstaterade att materialen som användes i ett avsnitt av den nya IFE var den främsta orsaken till kraschen, och att materialen, som var tänkta att vara brandsäkra, brändes upp och spridits till kritiska kontrolllinjer. Även om det är omöjligt att säga säkert, antas det att den elektriska bågen mellan IFE-ledningarna var orsaken till branden. Även om dessa ledningar är utrustade med effektbrytare, löser de inte ut på grund av båge. Detta är ett riktigt fall av 229 dödsfall orsakade av otillräckligt kretsskydd. Sådana kretsar är nu utrustade med bågfeldetekteringsskydd för att lösa när en båge avkänns (inkluderar inte bågen som produceras av normala operationer, t.ex. genom att trycka på en brytare).

Usb-pd ger mer fara

Även om den schweiziska MD-11 orsakas av elektriskt fel snarare än elektroniskt fel, men nu räcker fler och fler kretsar för att producera båge (och kan äventyra livets eld) för spänning och ström, till exempel uppgradering av USB-strömförsörjningen (USB - PD), den kan stödja upp till 20 v och 5 a (maximal effekt på 100 w) högspänning och ström. Jämfört med 5V-spänningen och 3A-strömmen (15W) för USB-typ c är uppgraderingen av usb-pd en stor förbättring, men det ökar också risken för faror kraftigt.

Förutom riskerna med högspänning och ström kan usb-pd orsaka andra problem när de används med USB-typ-c-kontakter och kablar. Detta beror på att stiftavståndet för USB-typ-c-anslutningen endast är 0,5 mm, en femtedel av det för typ a- och typ-b-anslutningarna, vilket ökar risken för en kortslutning på grund av den lilla distorsionen av anslutningen under insättning eller borttagning. Föroreningar som byggs upp inuti kontakten kan ha en liknande effekt. Dessutom har populariteten hos USB-typ c också lett till en betydande utveckling av kablar, även om många kablar fortfarande inte kan ha 100W ström, men de identifieras inte. Dessa tecken garanterar emellertid inte säkerhet; Om konsumenten vill använda en ospecificerad kabel kan den också anslutas till ett USB-pd-uttag lika enkelt som en kvalificerad kabel.

Bågar är inte den enda faran när usb-pd används vid höga spänningar och strömmar. Eftersom huvudbussens kraftstift är mycket nära de andra stiften på anslutningen, kan en kortslutning enkelt utsätta nedströmselektroniken för en kraftöverspänning som en 20V kortslutningsspänning som kan orsaka fel. Till exempel kan induktansen hos en meter lång USB-kabel "svänga", vilket gör att toppspänningen är mycket högre än 20V kortslutningsspänningen (ibland dubbelt så hög). För vissa applikationer kan fel på nedströmsutrustning som påverkas av överspänning orsaka säkerhetsproblem, eftersom de enheter som vanligtvis används för att kontrollera maximal driftsström och spänning i kablar är de mest sårbara för skador.

Fullt kretsskydd

Usb-pd kan producera bågar eller skada komponenter när de körs med högst nominell ström och spänning, så det kan inte sägas att skyddskretsen är helt värdelös. I applikationer där usb-pd maximal effektläge ofta används, till exempel vid laddning av ett bärbart datorbatteri, måste full kretsskydd ges.

TVS-dioder för övergångsspänning installerade mellan stiftet och marken i ett USB-typ c-uttag är relativt enkelt och billigt kretsskydd. Vid en kortvarig kortslutning "klämmer" TVS-dioden toppspänningen till en nivå som den anslutna delen tål. Medan TVS-dioder ger ett bra kortvarigt skydd är de inte idealiska för kontinuerliga överspänningsevenemang. För att lösa dessa problem krävs en ytterligare krets, liknar överspänningsskydd, parad med en n-kanals MOSFET. Under en kontinuerlig överspänningshändelse utlöser skyddet nMOSFET för att koppla bort lasten från ingången och därmed förhindra överbelastning av den anslutna nedströmsanordningen. Men TVS-dioder, vakter och nmosfets tål fortfarande inte alla överspänningssituationer; Ibland uppstår kortslutningar runt USB-kablar. I detta fall är induktansen hos uttaget mycket låg, vilket gör att spänningen stiger snabbare än svarets hastighet för skyddsanordningen och nMOSFET, så fler klämanordningar kan användas för att förlänga spänningsökningstiden, så att skyddsanordningen har tillräckligt dags att avbryta.

Omfattande skydd ökar i praktiken kostnaden och komplexiteten för usb-pd-applikationer, men detta kan undvikas genom att välja rätt komponenter. Tillverkarna börjar nu erbjuda integrerade enheter som integrerar TVS-dioder, skydd och klämmor i ett enda paket (nMOSFET behålls vanligtvis som ett diskret chip), vilket sparar pengar och utrymme och samtidigt förenklar designen för usb-pd-skydd.