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La protezione dei circuiti non sarà mai la fine dello sviluppo dell'elettronica

2020-04-29
La protezione dei circuiti è come un'assicurazione; nella migliore delle ipotesi, può essere visto come un ripensamento e, anche se installato sul posto, spesso non è sufficiente. Mentre un investimento insufficiente nelle assicurazioni può minacciare il funzionamento stabile di un'azienda, una protezione inadeguata dei circuiti può portare a conseguenze più gravi come la perdita della vita.

Illustriamo l'importanza della protezione dei circuiti nel caso del volo 111 di swissair, partito da John f. Aeroporto internazionale Kennedy di New York il 2 settembre 1998. Il volo è stato operato dalla McDonnell Douglas md-11 di 7 anni, che ha recentemente aggiornato il suo sistema di intrattenimento in volo (IFE). Fumo da 52 minuti dopo il decollo, la cabina di pilotaggio improvvisamente e l'equipaggio hanno immediatamente dichiarato uno stato di risposta alle emergenze, e hanno cercato di alternare a halifax, l'aeroporto, ma a causa del cavo di controllo elettrico sul soffitto della cabina di pilotaggio ha causato l'incendio fuori controllo e si è schiantato a 8 km dal mare dalla costa della nova scozia, uccidendo tutti i 215 passeggeri e 14 membri dell'equipaggio.

L'indagine di incidente ha scoperto che i materiali utilizzati in una sezione del nuovo IFE erano la causa principale dell'incidente e che i materiali, che avrebbero dovuto essere ignifughi, si sono bruciati e si sono diffusi nelle linee di controllo critiche. Sebbene sia impossibile affermarlo con certezza, si presume che l'arco elettrico tra i fili IFE sia stata la causa dell'incendio. Sebbene questi fili siano dotati di interruttori automatici, non inciampano a causa dell'arco. Questo è un vero caso di 229 morti causate da una protezione inadeguata del circuito. Tali circuiti sono ora dotati di protezioni per il rilevamento dei guasti dell'arco per scattare quando viene rilevato un arco (escluso l'arco prodotto da normali operazioni come la pressione di un interruttore).

Usb-pd porta più pericolo

Sebbene lo Swiss MD - 11 sia causato da un guasto elettrico piuttosto che da un guasto elettronico, ma ora sempre più circuiti sono sufficienti a produrre arco (e possono mettere in pericolo l'incendio della vita) di tensione e corrente, come l'aggiornamento dell'alimentazione USB (USB - PD), può supportare fino a 20 v e 5 a (potenza massima di 100 w) di alta tensione e corrente. Rispetto alla tensione 5 V e alla corrente 3 A (15 W) di USB tipo-c, l'aggiornamento di usb-pd è un grande miglioramento, ma aumenta anche notevolmente la possibilità di pericolo.

Oltre ai rischi associati all'alta tensione e alla corrente, usb-pd può causare altri problemi se utilizzato con connettori e cavi USB di tipo C. Questo perché la spaziatura dei pin del connettore USB di tipo c è di soli 0,5 mm, un quinto di quello dei connettori di tipo ae di tipo b, aumentando così il rischio di cortocircuito dovuto alla leggera distorsione del connettore durante inserimento o rimozione. Le impurità che si accumulano all'interno del connettore possono avere un effetto simile. Inoltre, la popolarità dell'USB di tipo c ha portato allo sviluppo significativo di cavi, sebbene molti cavi non siano ancora in grado di trasportare 100 W di potenza, ma non sono stati identificati. Tuttavia, questi segni non garantiscono la sicurezza; Se il consumatore desidera utilizzare un cavo non specificato, può anche essere collegato a una presa usb-pd con la stessa facilità di un cavo qualificato.

Gli archi non sono l'unico pericolo quando si usa usb-pd ad alte tensioni e correnti. Poiché il pin di alimentazione del bus principale è molto vicino agli altri pin del connettore, un cortocircuito può facilmente esporre l'elettronica a valle a un sovraccarico come una tensione di cortocircuito di 20 V che può causare un guasto. Ad esempio, l'induttanza di un cavo USB lungo un metro può "oscillare", facendo sì che la tensione di picco sia molto più alta della tensione di cortocircuito a 20 V (a volte doppia). Per alcune applicazioni, il guasto delle apparecchiature a valle che è influenzato da sovratensione può causare problemi di sicurezza, in quanto i dispositivi comunemente utilizzati per controllare la massima corrente operativa e la tensione dei cavi sono i più vulnerabili ai danni.

Protezione completa del circuito

Usb-pd può produrre archi o danneggiare componenti quando funziona alla massima corrente e tensione nominali, quindi non si può dire che il circuito di protezione sia completamente inutile. Nelle applicazioni in cui viene spesso utilizzata la modalità di alimentazione massima usb-pd, ad esempio quando si carica una batteria di un computer portatile, è necessario fornire una protezione completa del circuito.

I diodi di soppressione della tensione transitoria (TVS) installati tra il pin e la terra di una presa USB di tipo c sono una protezione dei circuiti relativamente semplice ed economica. Nel caso di un cortocircuito transitorio, il diodo TVS "pizzica" la tensione di picco a un livello che la parte connessa può sopportare. Sebbene i diodi TVS offrano una buona protezione dai transitori, non sono ideali per eventi di sovratensione continui. Per risolvere questi problemi, è necessario un circuito aggiuntivo, simile alla protezione da sovratensione, associato a un MOSFET a canale n. Durante un evento di sovratensione continuo, la protezione attiva nMOSFET per scollegare il carico dall'ingresso, evitando così il sovraccarico del dispositivo a valle collegato. Ma i diodi TVS, le guardie e i nmosfet non riescono ancora a resistere a tutte le situazioni di sovratensione; Occasionalmente si verificano cortocircuiti attorno ai cavi USB. In questo caso, l'induttanza della presa è molto bassa, facendo aumentare la tensione più velocemente della velocità di risposta del dispositivo di protezione e nMOSFET, quindi è possibile utilizzare più dispositivi di serraggio per estendere il tempo di aumento della tensione, in modo che il dispositivo di protezione abbia abbastanza tempo di tagliare.

Una protezione completa aumenta virtualmente il costo e la complessità delle applicazioni usb-pd, ma ciò può essere evitato selezionando i componenti giusti. I produttori stanno ora iniziando a offrire dispositivi integrati che integrano diodi TVS, protezione e morsetti in un unico pacchetto (l'nMOSFET è generalmente tenuto come un chip discreto), risparmiando denaro e spazio, semplificando al contempo il design della protezione usb-pd.

conclusione

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. La protezione dei circuiti è come un'assicurazione; nella migliore delle ipotesi, può essere visto come un ripensamento e, anche se installato sul posto, spesso non è sufficiente. Mentre un investimento insufficiente nelle assicurazioni può minacciare il funzionamento stabile di un'azienda, una protezione inadeguata dei circuiti può portare a conseguenze più gravi come la perdita della vita.


Illustriamo l'importanza della protezione dei circuiti nel caso del volo 111 di swissair, partito da John f. Aeroporto internazionale Kennedy di New York il 2 settembre 1998. Il volo è stato operato dalla McDonnell Douglas md-11 di 7 anni, che ha recentemente aggiornato il suo sistema di intrattenimento in volo (IFE). Fumo da 52 minuti dopo il decollo, la cabina di pilotaggio improvvisamente e l'equipaggio hanno immediatamente dichiarato uno stato di risposta alle emergenze, e hanno cercato di alternare a halifax, l'aeroporto, ma a causa del cavo di controllo elettrico sul soffitto della cabina di pilotaggio ha causato l'incendio fuori controllo e si è schiantato a 8 km dal mare dalla costa della nova scozia, uccidendo tutti i 215 passeggeri e 14 membri dell'equipaggio.

L'indagine di incidente ha scoperto che i materiali utilizzati in una sezione del nuovo IFE erano la causa principale dell'incidente e che i materiali, che avrebbero dovuto essere ignifughi, si sono bruciati e si sono diffusi nelle linee di controllo critiche. Sebbene sia impossibile affermarlo con certezza, si presume che l'arco elettrico tra i fili IFE sia stata la causa dell'incendio. Sebbene questi fili siano dotati di interruttori automatici, non inciampano a causa dell'arco. Questo è un vero caso di 229 morti causate da una protezione inadeguata del circuito. Tali circuiti sono ora dotati di protezioni per il rilevamento dei guasti dell'arco per scattare quando viene rilevato un arco (escluso l'arco prodotto da normali operazioni come la pressione di un interruttore).

Usb-pd porta più pericolo

Sebbene lo Swiss MD - 11 sia causato da un guasto elettrico piuttosto che da un guasto elettronico, ma ora sempre più circuiti sono sufficienti a produrre arco (e possono mettere in pericolo l'incendio della vita) di tensione e corrente, come l'aggiornamento dell'alimentazione USB (USB - PD), può supportare fino a 20 v e 5 a (potenza massima di 100 w) di alta tensione e corrente. Rispetto alla tensione 5 V e alla corrente 3 A (15 W) di USB tipo-c, l'aggiornamento di usb-pd è un grande miglioramento, ma aumenta anche notevolmente la possibilità di pericolo.

Oltre ai rischi associati all'alta tensione e alla corrente, usb-pd può causare altri problemi se utilizzato con connettori e cavi USB di tipo C. Questo perché la spaziatura dei pin del connettore USB di tipo c è di soli 0,5 mm, un quinto di quello dei connettori di tipo ae di tipo b, aumentando così il rischio di cortocircuito dovuto alla leggera distorsione del connettore durante inserimento o rimozione. Le impurità che si accumulano all'interno del connettore possono avere un effetto simile. Inoltre, la popolarità dell'USB di tipo c ha portato allo sviluppo significativo di cavi, sebbene molti cavi non siano ancora in grado di trasportare 100 W di potenza, ma non sono stati identificati. Tuttavia, questi segni non garantiscono la sicurezza; Se il consumatore desidera utilizzare un cavo non specificato, può anche essere collegato a una presa usb-pd con la stessa facilità di un cavo qualificato.

Gli archi non sono l'unico pericolo quando si usa usb-pd ad alte tensioni e correnti. Poiché il pin di alimentazione del bus principale è molto vicino agli altri pin del connettore, un cortocircuito può facilmente esporre l'elettronica a valle a un sovraccarico come una tensione di cortocircuito di 20 V che può causare un guasto. Ad esempio, l'induttanza di un cavo USB lungo un metro può "oscillare", facendo sì che la tensione di picco sia molto più alta della tensione di cortocircuito a 20 V (a volte doppia). Per alcune applicazioni, il guasto delle apparecchiature a valle che è influenzato da sovratensione può causare problemi di sicurezza, in quanto i dispositivi comunemente utilizzati per controllare la massima corrente operativa e la tensione dei cavi sono i più vulnerabili ai danni.

Protezione completa del circuito

Usb-pd può produrre archi o danneggiare componenti quando funziona alla massima corrente e tensione nominali, quindi non si può dire che il circuito di protezione sia completamente inutile. Nelle applicazioni in cui viene spesso utilizzata la modalità di alimentazione massima usb-pd, ad esempio quando si carica una batteria di un computer portatile, è necessario fornire una protezione completa del circuito.

I diodi di soppressione della tensione transitoria (TVS) installati tra il pin e la terra di una presa USB di tipo c sono una protezione dei circuiti relativamente semplice ed economica. Nel caso di un cortocircuito transitorio, il diodo TVS "pizzica" la tensione di picco a un livello che la parte connessa può sopportare. Sebbene i diodi TVS offrano una buona protezione dai transitori, non sono ideali per eventi di sovratensione continui. Per risolvere questi problemi, è necessario un circuito aggiuntivo, simile alla protezione da sovratensione, associato a un MOSFET a canale n. Durante un evento di sovratensione continuo, la protezione attiva nMOSFET per scollegare il carico dall'ingresso, evitando così il sovraccarico del dispositivo a valle collegato. Ma i diodi TVS, le guardie e i nmosfet non riescono ancora a resistere a tutte le situazioni di sovratensione; Occasionalmente si verificano cortocircuiti attorno ai cavi USB. In questo caso, l'induttanza della presa è molto bassa, facendo aumentare la tensione più velocemente della velocità di risposta del dispositivo di protezione e nMOSFET, quindi è possibile utilizzare più dispositivi di serraggio per estendere il tempo di aumento della tensione, in modo che il dispositivo di protezione abbia abbastanza tempo di tagliare.

Una protezione completa aumenta virtualmente il costo e la complessità delle applicazioni usb-pd, ma ciò può essere evitato selezionando i componenti giusti. I produttori stanno ora iniziando a offrire dispositivi integrati che integrano diodi TVS, protezione e morsetti in un unico pacchetto (l'nMOSFET è generalmente tenuto come un chip discreto), risparmiando denaro e spazio, semplificando al contempo il design della protezione usb-pd.