Circuitbeveiliging zal nooit het einde zijn van de ontwikkeling van elektronica

Circuitbeveiliging is als verzekering; in het beste geval kan het als een bijzaak worden beschouwd, en zelfs als het op zijn plaats is geïnstalleerd, is het vaak niet genoeg. Hoewel onderinvestering in verzekeringen de stabiele werking van een bedrijf kan bedreigen, kan een ontoereikende circuitbeveiliging tot ernstigere gevolgen leiden, zoals het verlies van levens.

We illustreren het belang van circuitbeveiliging in het geval van vlucht 111 van Swissair, die vertrok van John F. Internationale luchthaven Kennedy in New York op 2 september 1998. De vlucht werd uitgevoerd door de 7-jarige McDonnell Douglas md-11, die onlangs zijn IFE-systeem (In-Flight Entertainment) heeft geüpgraded. Rook van 52 minuten na het opstijgen, de cockpit plotseling en de bemanning kondigde onmiddellijk de noodtoestand af en probeerde af te wisselen naar halifax, de luchthaven, maar vanwege het plafond van de cockpit veroorzaakte de elektrische bedieningskabel het vuur uit de hand en crashte op 8 km van de zee vanaf de kust van nova scotia, waarbij alle 215 passagiers en 14 bemanningsleden omkwamen.

Uit het crashonderzoek bleek dat de materialen die in een deel van de nieuwe IFE werden gebruikt de hoofdoorzaak van de crash waren en dat de materialen, die brandveilig moesten zijn, verbrand waren en zich naar kritische controlelijnen verspreidden. Hoewel het niet met zekerheid te zeggen is, wordt aangenomen dat de elektrische boog tussen de IFE-draden de oorzaak van de brand was. Hoewel deze draden zijn voorzien van stroomonderbrekers, struikelen ze niet vanwege vonkoverslag. Dit is een waar geval van 229 sterfgevallen als gevolg van onvoldoende circuitbeveiliging. Dergelijke circuits zijn nu uitgerust met boogfoutdetectiebeveiligingen om uit te schakelen wanneer een boog wordt gedetecteerd (met uitzondering van de boog die wordt geproduceerd door normale bewerkingen zoals het indrukken van een schakelaar).

Usb-pd brengt meer gevaar met zich mee

Hoewel de Zwitserse MD - 11 eerder wordt veroorzaakt door een elektrische storing dan door een elektronische storing, zijn nu meer en meer circuits voldoende om een ​​boog (en kunnen het levensvuur in gevaar brengen) van spanning en stroom te produceren, zoals de upgrade van de USB-voeding (USB - PD), het ondersteunt tot 20 V en 5 A (maximaal vermogen van 100 W) van hoge spanning en stroom. Vergeleken met de 5V-spanning en 3A-stroom (15W) van USB type-c is de upgrade van usb-pd een grote verbetering, maar het vergroot ook de kans op gevaar enorm.

Naast de risico's verbonden aan hoogspanning en stroom, kan usb-pd andere problemen veroorzaken bij gebruik met USB type-c connectoren en kabels. Dit komt omdat de pinafstand van de USB type-c-connector slechts 0,5 mm is, een vijfde van die van de type-a en type-b-connectoren, waardoor het risico op kortsluiting toeneemt vanwege de lichte vervorming van de connector tijdens inbrengen of verwijderen. Onzuiverheden die zich in de connector ophopen, kunnen een soortgelijk effect hebben. Bovendien heeft de populariteit van USB type-c ook geleid tot de aanzienlijke ontwikkeling van kabels, hoewel veel kabels nog steeds niet in staat zijn om 100 W stroom te dragen, maar ze worden niet geïdentificeerd. Deze tekens garanderen echter geen veiligheid; Als de consument een niet-gespecificeerde kabel wil gebruiken, kan deze net zo gemakkelijk in een usb-pd-aansluiting worden gestoken als een gekwalificeerde kabel.

Bogen zijn niet het enige gevaar wanneer usb-pd wordt gebruikt bij hoge spanningen en stromen. Omdat de stroompen van de hoofdbus zich zeer dicht bij de andere pennen van de connector bevindt, kan een kortsluiting de stroomafwaartse elektronica gemakkelijk blootstellen aan een stroomstoot zoals een 20V kortsluitspanning die een fout kan veroorzaken. Zo kan de inductie van een USB-kabel van een meter lang "oscilleren", waardoor de piekspanning veel hoger is dan de 20V kortsluitspanning (soms twee keer zo hoog). Voor sommige toepassingen kan het falen van stroomafwaartse apparatuur die wordt beïnvloed door overspanning veiligheidsproblemen veroorzaken, aangezien die apparaten die gewoonlijk worden gebruikt om de maximale bedrijfsstroom en spanning van kabels te regelen, het meest kwetsbaar zijn voor schade.

Volledige circuitbeveiliging

Usb-pd kan bogen produceren of componenten beschadigen bij het draaien met de hoogste nominale stroom en spanning, dus kan niet worden gezegd dat het beveiligingscircuit volledig nutteloos is. In toepassingen waar de USB-pd-modus voor maximaal vermogen vaak wordt gebruikt, bijvoorbeeld bij het opladen van een draagbare computerbatterij, moet volledige circuitbescherming worden geboden.

Transient voltage suppression (TVS) -dioden die tussen de pin en aarde van een USB type-c-aansluiting zijn geïnstalleerd, zijn relatief eenvoudig en niet duur. In het geval van een tijdelijke kortsluiting "knijpt" de TVS-diode de piekspanning tot een niveau dat het aangesloten onderdeel kan weerstaan. Hoewel TVS-diodes een goede tijdelijke bescherming bieden, zijn ze niet ideaal voor continue overspanningsgebeurtenissen. Om deze problemen op te lossen, is een extra circuit nodig, vergelijkbaar met overspanningsbeveiliging, gecombineerd met een n-kanaals MOSFET. Tijdens een continue overspanningsgebeurtenis activeert de bewaker de nMOSFET om de belasting van de ingang los te koppelen, waardoor overbelasting van het aangesloten stroomafwaartse apparaat wordt voorkomen. Maar TVS-diodes, bewakers en nmosfets kunnen nog steeds niet alle overspanningssituaties weerstaan; Af en toe ontstaan ​​er kortsluitingen rond USB-kabels. In dit geval is de inductie van de contactdoos erg laag, waardoor de spanning sneller stijgt dan de reactiesnelheid van het beveiligingsapparaat en nMOSFET, zodat er meer kleminrichtingen kunnen worden gebruikt om de spanningsstijgtijd te verlengen, zodat het beveiligingsapparaat genoeg heeft tijd om af te snijden.

Uitgebreide bescherming verhoogt vrijwel de kosten en complexiteit van usb-pd-toepassingen, maar dit kan worden vermeden door de juiste componenten te selecteren. Fabrikanten beginnen nu geïntegreerde apparaten aan te bieden die TVS-diodes, bescherming en klemmen in één pakket integreren (de nMOSFET wordt meestal als een afzonderlijke chip bewaard), waardoor geld en ruimte wordt bespaard terwijl het ontwerp van de USB-pd-bescherming wordt vereenvoudigd.

conclusie

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. Circuitbeveiliging is als verzekering; in het beste geval kan het als een bijzaak worden beschouwd, en zelfs als het op zijn plaats is geïnstalleerd, is het vaak niet genoeg. Hoewel onderinvestering in verzekeringen de stabiele werking van een bedrijf kan bedreigen, kan een ontoereikende circuitbeveiliging tot ernstigere gevolgen leiden, zoals het verlies van levens.


We illustreren het belang van circuitbeveiliging in het geval van vlucht 111 van Swissair, die vertrok van John F. Internationale luchthaven Kennedy in New York op 2 september 1998. De vlucht werd uitgevoerd door de 7-jarige McDonnell Douglas md-11, die onlangs zijn IFE-systeem (In-Flight Entertainment) heeft geüpgraded. Rook van 52 minuten na het opstijgen, de cockpit plotseling en de bemanning kondigde onmiddellijk de noodtoestand af en probeerde af te wisselen naar halifax, de luchthaven, maar vanwege het plafond van de cockpit veroorzaakte de elektrische bedieningskabel het vuur uit de hand en crashte op 8 km van de zee vanaf de kust van nova scotia, waarbij alle 215 passagiers en 14 bemanningsleden omkwamen.

Uit het crashonderzoek bleek dat de materialen die in een deel van de nieuwe IFE werden gebruikt de hoofdoorzaak van de crash waren en dat de materialen, die brandveilig moesten zijn, verbrand waren en zich naar kritische controlelijnen verspreidden. Hoewel het niet met zekerheid te zeggen is, wordt aangenomen dat de elektrische boog tussen de IFE-draden de oorzaak van de brand was. Hoewel deze draden zijn voorzien van stroomonderbrekers, struikelen ze niet vanwege vonkoverslag. Dit is een waar geval van 229 sterfgevallen als gevolg van onvoldoende circuitbeveiliging. Dergelijke circuits zijn nu uitgerust met boogfoutdetectiebeveiligingen om uit te schakelen wanneer een boog wordt gedetecteerd (met uitzondering van de boog die wordt geproduceerd door normale bewerkingen zoals het indrukken van een schakelaar).

Usb-pd brengt meer gevaar met zich mee

Hoewel de Zwitserse MD - 11 eerder wordt veroorzaakt door een elektrische storing dan door een elektronische storing, zijn nu meer en meer circuits voldoende om een ​​boog (en kunnen het levensvuur in gevaar brengen) van spanning en stroom te produceren, zoals de upgrade van de USB-voeding (USB - PD), het ondersteunt tot 20 V en 5 A (maximaal vermogen van 100 W) van hoge spanning en stroom. Vergeleken met de 5V-spanning en 3A-stroom (15W) van USB type-c is de upgrade van usb-pd een grote verbetering, maar het vergroot ook de kans op gevaar enorm.

Naast de risico's verbonden aan hoogspanning en stroom, kan usb-pd andere problemen veroorzaken bij gebruik met USB type-c connectoren en kabels. Dit komt omdat de pinafstand van de USB type-c-connector slechts 0,5 mm is, een vijfde van die van de type-a en type-b-connectoren, waardoor het risico op kortsluiting toeneemt vanwege de lichte vervorming van de connector tijdens inbrengen of verwijderen. Onzuiverheden die zich in de connector ophopen, kunnen een soortgelijk effect hebben. Bovendien heeft de populariteit van USB type-c ook geleid tot de aanzienlijke ontwikkeling van kabels, hoewel veel kabels nog steeds niet in staat zijn om 100 W stroom te dragen, maar ze worden niet geïdentificeerd. Deze tekens garanderen echter geen veiligheid; Als de consument een niet-gespecificeerde kabel wil gebruiken, kan deze net zo gemakkelijk in een usb-pd-aansluiting worden gestoken als een gekwalificeerde kabel.

Bogen zijn niet het enige gevaar wanneer usb-pd wordt gebruikt bij hoge spanningen en stromen. Omdat de stroompen van de hoofdbus zich zeer dicht bij de andere pennen van de connector bevindt, kan een kortsluiting de stroomafwaartse elektronica gemakkelijk blootstellen aan een stroomstoot zoals een 20V kortsluitspanning die een fout kan veroorzaken. Zo kan de inductie van een USB-kabel van een meter lang "oscilleren", waardoor de piekspanning veel hoger is dan de 20V kortsluitspanning (soms twee keer zo hoog). Voor sommige toepassingen kan het falen van stroomafwaartse apparatuur die wordt beïnvloed door overspanning veiligheidsproblemen veroorzaken, aangezien die apparaten die gewoonlijk worden gebruikt om de maximale bedrijfsstroom en spanning van kabels te regelen, het meest kwetsbaar zijn voor schade.

Volledige circuitbeveiliging

Usb-pd kan bogen produceren of componenten beschadigen bij het draaien met de hoogste nominale stroom en spanning, dus kan niet worden gezegd dat het beveiligingscircuit volledig nutteloos is. In toepassingen waar de USB-pd-modus voor maximaal vermogen vaak wordt gebruikt, bijvoorbeeld bij het opladen van een draagbare computerbatterij, moet volledige circuitbescherming worden geboden.

Transient voltage suppression (TVS) -dioden die tussen de pin en aarde van een USB type-c-aansluiting zijn geïnstalleerd, zijn relatief eenvoudig en niet duur. In het geval van een tijdelijke kortsluiting "knijpt" de TVS-diode de piekspanning tot een niveau dat het aangesloten onderdeel kan weerstaan. Hoewel TVS-diodes een goede tijdelijke bescherming bieden, zijn ze niet ideaal voor continue overspanningsgebeurtenissen. Om deze problemen op te lossen, is een extra circuit nodig, vergelijkbaar met overspanningsbeveiliging, gecombineerd met een n-kanaals MOSFET. Tijdens een continue overspanningsgebeurtenis activeert de bewaker de nMOSFET om de belasting van de ingang los te koppelen, waardoor overbelasting van het aangesloten stroomafwaartse apparaat wordt voorkomen. Maar TVS-diodes, bewakers en nmosfets kunnen nog steeds niet alle overspanningssituaties weerstaan; Af en toe ontstaan ​​er kortsluitingen rond USB-kabels. In dit geval is de inductie van de contactdoos erg laag, waardoor de spanning sneller stijgt dan de reactiesnelheid van het beveiligingsapparaat en nMOSFET, zodat er meer kleminrichtingen kunnen worden gebruikt om de spanningsstijgtijd te verlengen, zodat het beveiligingsapparaat genoeg heeft tijd om af te snijden.

Uitgebreide bescherming verhoogt vrijwel de kosten en complexiteit van usb-pd-toepassingen, maar dit kan worden vermeden door de juiste componenten te selecteren. Fabrikanten beginnen nu geïntegreerde apparaten aan te bieden die TVS-diodes, bescherming en klemmen in één pakket integreren (de nMOSFET wordt meestal als een afzonderlijke chip bewaard), waardoor geld en ruimte wordt bespaard terwijl het ontwerp van de USB-pd-bescherming wordt vereenvoudigd.