Bảo vệ mạch sẽ không bao giờ là kết thúc của sự phát triển điện tử

Bảo vệ mạch giống như bảo hiểm; tốt nhất, nó có thể được xem như là một suy nghĩ lại, và ngay cả khi được cài đặt tại chỗ, nó thường không đủ. Trong khi đầu tư bảo hiểm thiếu có thể đe dọa hoạt động ổn định của một doanh nghiệp, bảo vệ mạch không đầy đủ có thể dẫn đến hậu quả nghiêm trọng hơn như mất mạng.

Chúng tôi minh họa tầm quan trọng của việc bảo vệ mạch trong trường hợp chuyến bay 111, xuất phát từ John f. Sân bay quốc tế Kennedy ở New York vào ngày 2 tháng 9 năm 1998. Chuyến bay được vận hành bởi McDonnell Douglas md-11, 7 tuổi, gần đây đã nâng cấp hệ thống giải trí trên chuyến bay (IFE). Khói từ 52 phút sau khi cất cánh, buồng lái đột ngột và phi hành đoàn ngay lập tức tuyên bố tình trạng khẩn cấp, và cố gắng thay thế cho halachus, sân bay, nhưng do cáp điều khiển điện trên trần buồng lái khiến ngọn lửa mất kiểm soát và bị rơi trong 8 km biển từ bờ biển nova scotia, giết chết tất cả 215 hành khách và 14 thành viên phi hành đoàn.

Cuộc điều tra vụ tai nạn cho thấy các vật liệu được sử dụng trong một phần của IFE mới là nguyên nhân chính của vụ tai nạn, và các vật liệu được cho là chống cháy đã bị đốt cháy và lan rộng đến các đường kiểm soát quan trọng. Mặc dù không thể nói chắc chắn, người ta cho rằng hồ quang điện giữa các dây IFE là nguyên nhân gây ra hỏa hoạn. Mặc dù các dây này được trang bị bộ ngắt mạch, nhưng chúng không bị ngắt do bị buộc. Đây là một trường hợp thực sự của 229 trường hợp tử vong do bảo vệ mạch không đầy đủ. Các mạch như vậy hiện được trang bị các bảo vệ phát hiện lỗi hồ quang để ngắt khi một cung được cảm nhận (không bao gồm hồ quang được tạo ra bởi các hoạt động bình thường như nhấn một công tắc).

USB-pd mang lại nhiều nguy hiểm

Mặc dù MD-11 của Thụy Sĩ được gây ra bởi sự cố điện thay vì sự cố điện tử, nhưng hiện nay ngày càng có nhiều mạch đủ để tạo ra hồ quang (và có thể gây nguy hiểm cho sự sống) của điện áp và dòng điện, chẳng hạn như nâng cấp nguồn điện USB (USB - PD), nó có thể hỗ trợ lên đến 20 v và 5 a (công suất tối đa 100 w) của điện áp cao và dòng điện. So với điện áp 5V và dòng điện 3 chiều (15W) của USB type-c, việc nâng cấp usb-pd là một cải tiến lớn, nhưng nó cũng làm tăng đáng kể khả năng gây nguy hiểm.

Ngoài các rủi ro liên quan đến điện áp cao và dòng điện, usb-pd có thể gây ra các vấn đề khác khi sử dụng với đầu nối và cáp USB type-c. Điều này là do khoảng cách chân của đầu nối USB type-c chỉ 0,5mm, 1/5 so với đầu nối loại a và loại b, do đó làm tăng nguy cơ ngắn mạch do biến dạng nhẹ của đầu nối trong khi chèn hoặc loại bỏ. Các tạp chất tích tụ bên trong đầu nối có thể có tác động tương tự. Ngoài ra, sự phổ biến của USB type-c cũng dẫn đến sự phát triển đáng kể của cáp, mặc dù nhiều dây cáp vẫn không thể mang nguồn điện 100W, nhưng chúng không được xác định. Tuy nhiên, những dấu hiệu này không đảm bảo an ninh; Nếu người tiêu dùng muốn sử dụng cáp không xác định, nó cũng có thể được cắm vào ổ cắm usb-pd dễ dàng như cáp đủ điều kiện.

Arcs không phải là mối nguy hiểm duy nhất khi usb-pd được sử dụng ở điện áp và dòng điện cao. Do chân nguồn của bus chính rất gần với các chân khác của đầu nối, nên đoản mạch có thể dễ dàng khiến các thiết bị điện tử xuôi dòng bị tăng điện như điện áp ngắn mạch 20V có thể gây ra lỗi. Ví dụ, độ tự cảm của cáp USB dài một mét có thể "dao động", khiến điện áp cực đại cao hơn nhiều so với điện áp ngắn mạch 20V (đôi khi cao gấp đôi). Đối với một số ứng dụng, sự cố của thiết bị hạ nguồn bị ảnh hưởng bởi quá điện áp có thể gây ra vấn đề an toàn, vì những thiết bị thường được sử dụng để kiểm soát dòng điện hoạt động tối đa và điện áp của cáp là dễ bị hư hỏng nhất.

Bảo vệ toàn mạch

USB-pd có thể tạo ra các cung hoặc làm hỏng các thành phần khi chạy ở dòng điện và điện áp định mức cao nhất, vì vậy không thể nói rằng mạch bảo vệ là hoàn toàn vô dụng. Trong các ứng dụng thường sử dụng chế độ năng lượng tối đa usb-pd, ví dụ như khi sạc pin máy tính xách tay, phải cung cấp bảo vệ toàn bộ mạch.

Các điốt triệt tiêu điện áp thoáng qua (TVS) được cài đặt giữa chân và mặt đất của ổ cắm USB loại c tương đối đơn giản và bảo vệ mạch rẻ tiền. Trong trường hợp ngắn mạch thoáng qua, diode TVS "chụm" điện áp cực đại đến mức mà phần được kết nối có thể chịu được. Trong khi điốt TVS cung cấp bảo vệ thoáng qua tốt, chúng không lý tưởng cho các sự kiện quá áp liên tục. Để giải quyết những vấn đề này, cần phải có một mạch bổ sung, tương tự như bảo vệ quá áp, kết hợp với MOSFET kênh n. Trong trường hợp quá áp liên tục, bộ bảo vệ sẽ kích hoạt nMOSFET để ngắt kết nối tải khỏi đầu vào, do đó ngăn ngừa quá tải thiết bị hạ nguồn được kết nối. Nhưng điốt, bảo vệ và nmosfets TVS vẫn không thể chịu được mọi tình huống quá áp; Đôi khi, xảy ra ngắn mạch xung quanh cáp USB. Trong trường hợp này, độ tự cảm của ổ cắm rất thấp, làm cho điện áp tăng nhanh hơn tốc độ đáp ứng của thiết bị bảo vệ và nMOSFET, do đó, có thể sử dụng nhiều thiết bị kẹp hơn để kéo dài thời gian tăng điện áp, để thiết bị bảo vệ có đủ Thời gian để cắt đứt.

Bảo vệ toàn diện hầu như làm tăng chi phí và độ phức tạp của các ứng dụng usb-pd, nhưng điều này có thể tránh được bằng cách chọn đúng các thành phần. Các nhà sản xuất hiện đang bắt đầu cung cấp các thiết bị tích hợp tích hợp điốt, bảo vệ và kẹp TVS vào một gói duy nhất (nMOSFET thường được giữ dưới dạng chip rời), tiết kiệm tiền và không gian trong khi đơn giản hóa thiết kế bảo vệ usb-pd.

phần kết luận

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. Bảo vệ mạch giống như bảo hiểm; tốt nhất, nó có thể được xem như là một suy nghĩ lại, và ngay cả khi được cài đặt tại chỗ, nó thường không đủ. Trong khi đầu tư bảo hiểm thiếu có thể đe dọa hoạt động ổn định của một doanh nghiệp, bảo vệ mạch không đầy đủ có thể dẫn đến hậu quả nghiêm trọng hơn như mất mạng.


Chúng tôi minh họa tầm quan trọng của việc bảo vệ mạch trong trường hợp chuyến bay 111, xuất phát từ John f. Sân bay quốc tế Kennedy ở New York vào ngày 2 tháng 9 năm 1998. Chuyến bay được vận hành bởi McDonnell Douglas md-11, 7 tuổi, gần đây đã nâng cấp hệ thống giải trí trên chuyến bay (IFE). Khói từ 52 phút sau khi cất cánh, buồng lái đột ngột và phi hành đoàn ngay lập tức tuyên bố tình trạng khẩn cấp, và cố gắng thay thế cho halachus, sân bay, nhưng do cáp điều khiển điện trên trần buồng lái khiến ngọn lửa mất kiểm soát và bị rơi trong 8 km biển từ bờ biển nova scotia, giết chết tất cả 215 hành khách và 14 thành viên phi hành đoàn.

Cuộc điều tra vụ tai nạn cho thấy các vật liệu được sử dụng trong một phần của IFE mới là nguyên nhân chính của vụ tai nạn, và các vật liệu được cho là chống cháy đã bị đốt cháy và lan rộng đến các đường kiểm soát quan trọng. Mặc dù không thể nói chắc chắn, người ta cho rằng hồ quang điện giữa các dây IFE là nguyên nhân gây ra hỏa hoạn. Mặc dù các dây này được trang bị bộ ngắt mạch, nhưng chúng không bị ngắt do bị buộc. Đây là một trường hợp thực sự của 229 trường hợp tử vong do bảo vệ mạch không đầy đủ. Các mạch như vậy hiện được trang bị các bảo vệ phát hiện lỗi hồ quang để ngắt khi một cung được cảm nhận (không bao gồm hồ quang được tạo ra bởi các hoạt động bình thường như nhấn một công tắc).

USB-pd mang lại nhiều nguy hiểm

Mặc dù MD-11 của Thụy Sĩ được gây ra bởi sự cố điện thay vì sự cố điện tử, nhưng hiện nay ngày càng có nhiều mạch đủ để tạo ra hồ quang (và có thể gây nguy hiểm cho sự sống) của điện áp và dòng điện, chẳng hạn như nâng cấp nguồn điện USB (USB - PD), nó có thể hỗ trợ lên đến 20 v và 5 a (công suất tối đa 100 w) của điện áp cao và dòng điện. So với điện áp 5V và dòng điện 3 chiều (15W) của USB type-c, việc nâng cấp usb-pd là một cải tiến lớn, nhưng nó cũng làm tăng đáng kể khả năng gây nguy hiểm.

Ngoài các rủi ro liên quan đến điện áp cao và dòng điện, usb-pd có thể gây ra các vấn đề khác khi sử dụng với đầu nối và cáp USB type-c. Điều này là do khoảng cách chân của đầu nối USB type-c chỉ 0,5mm, 1/5 so với đầu nối loại a và loại b, do đó làm tăng nguy cơ ngắn mạch do biến dạng nhẹ của đầu nối trong khi chèn hoặc loại bỏ. Các tạp chất tích tụ bên trong đầu nối có thể có tác động tương tự. Ngoài ra, sự phổ biến của USB type-c cũng dẫn đến sự phát triển đáng kể của cáp, mặc dù nhiều dây cáp vẫn không thể mang nguồn điện 100W, nhưng chúng không được xác định. Tuy nhiên, những dấu hiệu này không đảm bảo an ninh; Nếu người tiêu dùng muốn sử dụng cáp không xác định, nó cũng có thể được cắm vào ổ cắm usb-pd dễ dàng như cáp đủ điều kiện.

Arcs không phải là mối nguy hiểm duy nhất khi usb-pd được sử dụng ở điện áp và dòng điện cao. Do chân nguồn của bus chính rất gần với các chân khác của đầu nối, nên đoản mạch có thể dễ dàng khiến các thiết bị điện tử xuôi dòng bị tăng điện như điện áp ngắn mạch 20V có thể gây ra lỗi. Ví dụ, độ tự cảm của cáp USB dài một mét có thể "dao động", khiến điện áp cực đại cao hơn nhiều so với điện áp ngắn mạch 20V (đôi khi cao gấp đôi). Đối với một số ứng dụng, sự cố của thiết bị hạ nguồn bị ảnh hưởng bởi quá điện áp có thể gây ra vấn đề an toàn, vì những thiết bị thường được sử dụng để kiểm soát dòng điện hoạt động tối đa và điện áp của cáp là dễ bị hư hỏng nhất.

Bảo vệ toàn mạch

USB-pd có thể tạo ra các cung hoặc làm hỏng các thành phần khi chạy ở dòng điện và điện áp định mức cao nhất, vì vậy không thể nói rằng mạch bảo vệ là hoàn toàn vô dụng. Trong các ứng dụng thường sử dụng chế độ năng lượng tối đa usb-pd, ví dụ như khi sạc pin máy tính xách tay, phải cung cấp bảo vệ toàn bộ mạch.

Các điốt triệt tiêu điện áp thoáng qua (TVS) được cài đặt giữa chân và mặt đất của ổ cắm USB loại c tương đối đơn giản và bảo vệ mạch rẻ tiền. Trong trường hợp ngắn mạch thoáng qua, diode TVS "chụm" điện áp cực đại đến mức mà phần được kết nối có thể chịu được. Trong khi điốt TVS cung cấp bảo vệ thoáng qua tốt, chúng không lý tưởng cho các sự kiện quá áp liên tục. Để giải quyết những vấn đề này, cần phải có một mạch bổ sung, tương tự như bảo vệ quá áp, kết hợp với MOSFET kênh n. Trong trường hợp quá áp liên tục, bộ bảo vệ sẽ kích hoạt nMOSFET để ngắt kết nối tải khỏi đầu vào, do đó ngăn ngừa quá tải thiết bị hạ nguồn được kết nối. Nhưng điốt, bảo vệ và nmosfets TVS vẫn không thể chịu được mọi tình huống quá áp; Đôi khi, xảy ra ngắn mạch xung quanh cáp USB. Trong trường hợp này, độ tự cảm của ổ cắm rất thấp, làm cho điện áp tăng nhanh hơn tốc độ đáp ứng của thiết bị bảo vệ và nMOSFET, do đó, có thể sử dụng nhiều thiết bị kẹp hơn để kéo dài thời gian tăng điện áp, để thiết bị bảo vệ có đủ Thời gian để cắt đứt.

Bảo vệ toàn diện hầu như làm tăng chi phí và độ phức tạp của các ứng dụng usb-pd, nhưng điều này có thể tránh được bằng cách chọn đúng các thành phần. Các nhà sản xuất hiện đang bắt đầu cung cấp các thiết bị tích hợp tích hợp điốt, bảo vệ và kẹp TVS vào một gói duy nhất (nMOSFET thường được giữ dưới dạng chip rời), tiết kiệm tiền và không gian trong khi đơn giản hóa thiết kế bảo vệ usb-pd.