Защитата на веригата никога няма да бъде краят на развитието на електрониката

Защитата на веригата е като застраховка; в най-добрия случай може да се разглежда като замислена и дори когато е инсталирана на място, често не е достатъчно. Докато недостатъчното инвестиране в застраховане може да застраши стабилната работа на бизнеса, недостатъчната защита на веригата може да доведе до по-сериозни последици като загуба на живот.

Илюстрираме значението на защитата на веригата в случай на полет на швейцарката 111, който тръгна от Джон f. Международното летище на Кенеди в Ню Йорк на 2 септември 1998 г. Полетът се управлява от 7-годишния Макдонел Дъглас md-11, който наскоро модернизира системата си за развлечение по време на полет (IFE). Дим от 52 минути след излитането, пилотската кабина внезапно и екипажът незабавно обяви спешно реагиране и се опита да се редува до хелифакс, летището, но поради електрическия кабел за управление на тавана на пилотската кабина предизвика пожарът да изгори извън контрол и да се разби на 8 км от морето от брега на Нова Скотия, убивайки всички 215 пътници и 14 членове на екипажа.

Разследването на катастрофата установи, че материалите, използвани в един раздел на новия IFE, са основната причина за катастрофата и че материалите, които е трябвало да бъдат огнеупорни, се изгарят и се разпространяват в критични контролни линии. Въпреки че е невъзможно да се каже със сигурност, се предполага, че електрическата дъга между проводниците на IFE е била причината за пожара. Въпреки че тези проводници са снабдени с прекъсвачи, те не се изключват поради дъга. Това е истински случай на 229 смъртни случая, причинени от неадекватна защита на веригата. Подобни вериги вече са оборудвани със защита за откриване на повреди при дъга, за да се изключи, когато се усети дъга (без да се включва дъгата, получена при нормални операции, като натискане на превключвател).

Usb-pd носи повече опасност

Въпреки че швейцарският MD-11 е причинен от електрическа повреда, а не от електронна повреда, но сега все повече вериги са достатъчни, за да произведат дъга (и може да застраши живота на пожара) на напрежение и ток, като например ъпгрейд на USB захранването (USB - PD), той може да поддържа до 20 v и 5 a (максимална мощност 100 w) високо напрежение и ток. В сравнение с 5V напрежение и 3A ток (15W) на USB type-c, ъпгрейдът на usb-pd е голямо подобрение, но също така значително увеличава възможността за опасност.

В допълнение към рисковете, свързани с високо напрежение и ток, usb-pd може да причини други проблеми, когато се използва с USB тип-c конектори и кабели. Това е така, защото разстоянието между щифтовете на USB type-c конектора е само 0,5 mm, една пета от това на конекторите type-a и type-b, като по този начин увеличава риска от късо съединение поради лекото изкривяване на конектора по време на поставяне или отстраняване. Примесите, които се натрупват вътре в конектора, могат да имат подобен ефект. Освен това популярността на USB type-c също доведе до значителното развитие на кабелите, въпреки че много кабели все още не могат да пренесат мощност 100 W, но те не са идентифицирани. Тези знаци обаче не гарантират сигурност; Ако потребителят иска да използва неуточнен кабел, той също може да бъде включен в usb-pd гнездо толкова лесно, колкото и квалифициран кабел.

Дъгите не са единствената опасност, когато usb-pd се използва при високи напрежения и токове. Тъй като главният захранващ щифт е много близо до другите щифтове на конектора, късо съединение може лесно да изложи електрониката надолу по веригата на напрежение, като например напрежение на късо съединение 20V, което може да причини повреда. Например индуктивността на еднометров USB кабел може да "колебае", което води до върхово напрежение да бъде много по-високо от напрежението на късо съединение 20V (понякога два пъти по-високо). За някои приложения отказът на оборудването надолу по веригата, което е засегнато от пренапрежение, може да причини проблеми с безопасността, тъй като тези устройства, които обикновено се използват за контрол на максималния работен ток и напрежение на кабелите, са най-уязвими от повреди.

Пълна защита на веригата

Usb-pd може да произвежда дъги или да повреди компоненти, когато работи при най-номинален ток и напрежение, така че не може да се каже, че защитната верига е напълно безполезна. В приложения, където често се използва usb-pd режим на максимална мощност, например при зареждане на батерия на портативен компютър, трябва да се осигури пълна защита на веригата.

Преходните диоди за потискане на напрежението (TVS), инсталирани между щифта и земята на USB тип-c гнездо, са сравнително проста и евтина защита на веригата. В случай на преходно късо съединение, диодът TVS "прищипва" върховото напрежение до ниво, което свързаната част може да издържи. Докато диодите TVS осигуряват добра преходна защита, те не са идеални за непрекъснато пренапрежение. За решаване на тези проблеми е необходима допълнителна схема, подобна на защита от пренапрежение, сдвоена с n-канален MOSFET. По време на събитие с непрекъснато пренапрежение, защитният механизъм задейства nMOSFET за изключване на товара от входа, като по този начин предотвратява претоварването на свързаното устройство надолу по веригата. Но диодите, охраната и nmosfets TVS все още не могат да издържат на всички ситуации на пренапрежение; Понякога се появяват къси съединения около USB кабели. В този случай индуктивността на гнездото е много ниска, което прави повишаването на напрежението по-бързо от скоростта на реакция на защитното устройство и nMOSFET, така че могат да се използват повече затягащи устройства за удължаване на времето за повишаване на напрежението, така че устройството за защита да има достатъчно време за отрязване.

Цялостната защита на практика увеличава разходите и сложността на usb-pd приложенията, но това може да бъде избегнато чрез избиране на правилните компоненти. Сега производителите започват да предлагат интегрирани устройства, които интегрират диоди, защита и скоби на TVS в един пакет (nMOSFET обикновено се съхранява като дискретен чип), спестявайки пари и пространство, като същевременно опростяват дизайна на защитата от usb-pd.

заключение

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. Защитата на веригата е като застраховка; в най-добрия случай може да се разглежда като замислена и дори когато е инсталирана на място, често не е достатъчно. Докато недостатъчното инвестиране в застраховане може да застраши стабилната работа на бизнеса, недостатъчната защита на веригата може да доведе до по-сериозни последици като загуба на живот.


Илюстрираме значението на защитата на веригата в случай на полет на швейцарката 111, който тръгна от Джон f. Международното летище на Кенеди в Ню Йорк на 2 септември 1998 г. Полетът се управлява от 7-годишния Макдонел Дъглас md-11, който наскоро модернизира системата си за развлечение по време на полет (IFE). Дим от 52 минути след излитането, пилотската кабина внезапно и екипажът незабавно обяви спешно реагиране и се опита да се редува до хелифакс, летището, но поради електрическия кабел за управление на тавана на пилотската кабина предизвика пожарът да изгори извън контрол и да се разби на 8 км от морето от брега на Нова Скотия, убивайки всички 215 пътници и 14 членове на екипажа.

Разследването на катастрофата установи, че материалите, използвани в един раздел на новия IFE, са основната причина за катастрофата и че материалите, които е трябвало да бъдат огнеупорни, се изгарят и се разпространяват в критични контролни линии. Въпреки че е невъзможно да се каже със сигурност, се предполага, че електрическата дъга между проводниците на IFE е била причината за пожара. Въпреки че тези проводници са снабдени с прекъсвачи, те не се изключват поради дъга. Това е истински случай на 229 смъртни случая, причинени от неадекватна защита на веригата. Подобни вериги вече са оборудвани със защита за откриване на повреди при дъга, за да се изключи, когато се усети дъга (без да се включва дъгата, получена при нормални операции, като натискане на превключвател).

Usb-pd носи повече опасност

Въпреки че швейцарският MD-11 е причинен от електрическа повреда, а не от електронна повреда, но сега все повече вериги са достатъчни, за да произведат дъга (и може да застраши живота на пожара) на напрежение и ток, като например ъпгрейд на USB захранването (USB - PD), той може да поддържа до 20 v и 5 a (максимална мощност 100 w) високо напрежение и ток. В сравнение с 5V напрежение и 3A ток (15W) на USB type-c, ъпгрейдът на usb-pd е голямо подобрение, но също така значително увеличава възможността за опасност.

В допълнение към рисковете, свързани с високо напрежение и ток, usb-pd може да причини други проблеми, когато се използва с USB тип-c конектори и кабели. Това е така, защото разстоянието между щифтовете на USB type-c конектора е само 0,5 mm, една пета от това на конекторите type-a и type-b, като по този начин увеличава риска от късо съединение поради лекото изкривяване на конектора по време на поставяне или отстраняване. Примесите, които се натрупват вътре в конектора, могат да имат подобен ефект. Освен това популярността на USB type-c също доведе до значителното развитие на кабелите, въпреки че много кабели все още не могат да пренесат мощност 100 W, но те не са идентифицирани. Тези знаци обаче не гарантират сигурност; Ако потребителят иска да използва неуточнен кабел, той също може да бъде включен в usb-pd гнездо толкова лесно, колкото и квалифициран кабел.

Дъгите не са единствената опасност, когато usb-pd се използва при високи напрежения и токове. Тъй като главният захранващ щифт е много близо до другите щифтове на конектора, късо съединение може лесно да изложи електрониката надолу по веригата на напрежение, като например напрежение на късо съединение 20V, което може да причини повреда. Например индуктивността на еднометров USB кабел може да "колебае", което води до върхово напрежение да бъде много по-високо от напрежението на късо съединение 20V (понякога два пъти по-високо). За някои приложения отказът на оборудването надолу по веригата, което е засегнато от пренапрежение, може да причини проблеми с безопасността, тъй като тези устройства, които обикновено се използват за контрол на максималния работен ток и напрежение на кабелите, са най-уязвими от повреди.

Пълна защита на веригата

Usb-pd може да произвежда дъги или да повреди компоненти, когато работи при най-номинален ток и напрежение, така че не може да се каже, че защитната верига е напълно безполезна. В приложения, където често се използва usb-pd режим на максимална мощност, например при зареждане на батерия на портативен компютър, трябва да се осигури пълна защита на веригата.

Преходните диоди за потискане на напрежението (TVS), инсталирани между щифта и земята на USB тип-c гнездо, са сравнително проста и евтина защита на веригата. В случай на преходно късо съединение, диодът TVS "прищипва" върховото напрежение до ниво, което свързаната част може да издържи. Докато диодите TVS осигуряват добра преходна защита, те не са идеални за непрекъснато пренапрежение. За решаване на тези проблеми е необходима допълнителна схема, подобна на защита от пренапрежение, сдвоена с n-канален MOSFET. По време на събитие с непрекъснато пренапрежение, защитният механизъм задейства nMOSFET за изключване на товара от входа, като по този начин предотвратява претоварването на свързаното устройство надолу по веригата. Но диодите, охраната и nmosfets TVS все още не могат да издържат на всички ситуации на пренапрежение; Понякога се появяват къси съединения около USB кабели. В този случай индуктивността на гнездото е много ниска, което прави повишаването на напрежението по-бързо от скоростта на реакция на защитното устройство и nMOSFET, така че могат да се използват повече затягащи устройства за удължаване на времето за повишаване на напрежението, така че устройството за защита да има достатъчно време за отрязване.

Цялостната защита на практика увеличава разходите и сложността на usb-pd приложенията, но това може да бъде избегнато чрез избиране на правилните компоненти. Сега производителите започват да предлагат интегрирани устройства, които интегрират диоди, защита и скоби на TVS в един пакет (nMOSFET обикновено се съхранява като дискретен чип), спестявайки пари и пространство, като същевременно опростяват дизайна на защитата от usb-pd.