Der Schutz von Schaltkreisen wird niemals das Ende der Elektronikentwicklung sein

Schaltungsschutz ist wie eine Versicherung; bestenfalls kann es als nachträglicher Gedanke angesehen werden, und selbst wenn es installiert ist, reicht es oft nicht aus. Während eine Unterinvestition in Versicherungen den stabilen Betrieb eines Unternehmens gefährden kann, kann ein unzureichender Schutz der Stromkreise schwerwiegendere Folgen wie den Verlust von Menschenleben haben.

Wir veranschaulichen die Bedeutung des Schaltungsschutzes im Fall des Schweizer Fluges 111, der von John f. Kennedy Internationaler Flughafen in New York am 2. September 1998. Der Flug wurde von dem 7-jährigen McDonnell Douglas md-11 durchgeführt, der kürzlich sein Bordunterhaltungssystem (IFE) aufgerüstet hat. Rauch aus 52 Minuten nach dem Start, das Cockpit plötzlich und die Besatzung erklärte sofort den Ausnahmezustand und versuchte, auf Halifax, den Flughafen, zu wechseln, aber aufgrund der Cockpitdecke elektrische Steuerkabel verursachte das Feuer außer Kontrolle und stürzte In 8 km Entfernung von der Küste von Nova Scotia wurden alle 215 Passagiere und 14 Besatzungsmitglieder getötet.

Die Crash-Untersuchung ergab, dass die in einem Abschnitt des neuen IFE verwendeten Materialien die Hauptursache für den Crash waren und dass die Materialien, die feuerfest sein sollten, verbrannt und auf kritische Kontrolllinien verteilt wurden. Obwohl es nicht sicher zu sagen ist, wird angenommen, dass der Lichtbogen zwischen den IFE-Drähten die Ursache des Feuers war. Obwohl diese Drähte mit Leistungsschaltern ausgestattet sind, lösen sie aufgrund von Lichtbögen nicht aus. Dies ist ein wahrer Fall von 229 Todesfällen, die durch unzureichenden Schutz der Stromkreise verursacht wurden. Solche Schaltungen sind jetzt mit Schutzfunktionen zur Erkennung von Lichtbogenfehlern ausgestattet, die auslösen, wenn ein Lichtbogen erfasst wird (ohne den Lichtbogen, der durch normale Vorgänge wie das Drücken eines Schalters erzeugt wird).

Usb-pd bringt mehr Gefahr

Der Schweizer MD-11 wird zwar eher durch einen elektrischen als durch einen elektronischen Ausfall verursacht, aber jetzt reichen immer mehr Schaltkreise aus, um einen Lichtbogen (und möglicherweise das Feuer des Lebens) von Spannung und Strom zu erzeugen, wie beispielsweise die Aufrüstung des USB-Netzteils (USB - PD) unterstützt bis zu 20 V und 5 a (maximale Leistung von 100 W) Hochspannung und Strom. Im Vergleich zu der 5-V-Spannung und dem 3-A-Strom (15 W) von USB Typ C ist das Upgrade von USB-PD eine große Verbesserung, erhöht aber auch die Wahrscheinlichkeit von Gefahren erheblich.

Zusätzlich zu den mit Hochspannung und Strom verbundenen Risiken kann usb-pd bei Verwendung mit USB-Typ-C-Steckern und -Kabeln andere Probleme verursachen. Dies liegt daran, dass der Pinabstand des USB-Typ-C-Steckers nur 0,5 mm beträgt, ein Fünftel des Abstands des Typ-A- und Typ-B-Steckers, wodurch das Risiko eines Kurzschlusses aufgrund der leichten Verzerrung des Steckers während erhöht wird Einsetzen oder Entfernen. Verunreinigungen, die sich im Stecker ansammeln, können einen ähnlichen Effekt haben. Darüber hinaus hat die Popularität von USB Typ C auch zu einer signifikanten Entwicklung von Kabeln geführt, obwohl viele Kabel immer noch nicht in der Lage sind, 100 W Leistung zu führen, aber sie werden nicht identifiziert. Diese Zeichen garantieren jedoch keine Sicherheit. Wenn der Verbraucher ein nicht spezifiziertes Kabel verwenden möchte, kann es auch so einfach wie ein qualifiziertes Kabel an eine USB-PD-Buchse angeschlossen werden.

Lichtbögen sind nicht die einzige Gefahr, wenn usb-pd bei hohen Spannungen und Strömen verwendet wird. Da sich der Hauptbus-Stromversorgungsstift sehr nahe an den anderen Stiften des Steckers befindet, kann ein Kurzschluss die nachgeschaltete Elektronik leicht einem Stromstoß wie einer 20-V-Kurzschlussspannung aussetzen, die einen Fehler verursachen kann. Beispielsweise kann die Induktivität eines ein Meter langen USB-Kabels "schwingen", wodurch die Spitzenspannung viel höher als die 20-V-Kurzschlussspannung ist (manchmal doppelt so hoch). Bei einigen Anwendungen kann der Ausfall von nachgeschalteten Geräten, die von Überspannungen betroffen sind, zu Sicherheitsproblemen führen, da Geräte, die üblicherweise zur Steuerung des maximalen Betriebsstroms und der maximalen Spannung von Kabeln verwendet werden, am anfälligsten für Beschädigungen sind.

Voller Stromkreisschutz

Usb-pd kann Lichtbögen erzeugen oder Komponenten beschädigen, wenn es mit dem höchsten Nennstrom und der höchsten Nennspannung betrieben wird. Daher kann nicht gesagt werden, dass die Schutzschaltung völlig unbrauchbar ist. In Anwendungen, in denen häufig der USB-PD-Maximalleistungsmodus verwendet wird, z. B. beim Laden eines tragbaren Computerakkus, muss ein vollständiger Schutz des Stromkreises bereitgestellt werden.

TVS-Dioden (Transient Voltage Suppression), die zwischen Pin und Masse einer USB-Typ-C-Buchse installiert sind, sind relativ einfach und kostengünstig. Im Falle eines vorübergehenden Kurzschlusses "drückt" die TVS-Diode die Spitzenspannung auf einen Pegel, dem der angeschlossene Teil standhalten kann. Während TVS-Dioden einen guten Transientenschutz bieten, sind sie nicht ideal für kontinuierliche Überspannungsereignisse. Um diese Probleme zu lösen, ist eine zusätzliche Schaltung ähnlich dem Überspannungsschutz erforderlich, die mit einem n-Kanal-MOSFET gepaart ist. Während eines kontinuierlichen Überspannungsereignisses löst der Schutz den nMOSFET aus, um die Last vom Eingang zu trennen, wodurch eine Überlastung des angeschlossenen nachgeschalteten Geräts verhindert wird. TVS-Dioden, Schutzvorrichtungen und nmosfets können jedoch immer noch nicht allen Überspannungssituationen standhalten. Gelegentlich treten Kurzschlüsse um USB-Kabel auf. In diesem Fall ist die Induktivität der Buchse sehr niedrig, wodurch die Spannung schneller ansteigt als die Ansprechgeschwindigkeit der Schutzvorrichtung und des nMOSFET, sodass mehr Klemmvorrichtungen verwendet werden können, um die Spannungsanstiegszeit zu verlängern, so dass die Schutzvorrichtung genügend hat Zeit abzuschneiden.

Umfassender Schutz erhöht praktisch die Kosten und die Komplexität von USB-PD-Anwendungen. Dies kann jedoch durch Auswahl der richtigen Komponenten vermieden werden. Die Hersteller bieten ab sofort integrierte Geräte an, die TVS-Dioden, Schutz und Klemmen in einem einzigen Gehäuse integrieren (der nMOSFET wird normalerweise als diskreter Chip aufbewahrt). Dies spart Geld und Platz und vereinfacht das Design des USB-PD-Schutzes.

Fazit

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. Schaltungsschutz ist wie eine Versicherung; bestenfalls kann es als nachträglicher Gedanke angesehen werden, und selbst wenn es installiert ist, reicht es oft nicht aus. Während eine Unterinvestition in Versicherungen den stabilen Betrieb eines Unternehmens gefährden kann, kann ein unzureichender Schutz der Stromkreise schwerwiegendere Folgen wie den Verlust von Menschenleben haben.


Wir veranschaulichen die Bedeutung des Schaltungsschutzes im Fall des Schweizer Fluges 111, der von John f. Kennedy Internationaler Flughafen in New York am 2. September 1998. Der Flug wurde von dem 7-jährigen McDonnell Douglas md-11 durchgeführt, der kürzlich sein Bordunterhaltungssystem (IFE) aufgerüstet hat. Rauch aus 52 Minuten nach dem Start, das Cockpit plötzlich und die Besatzung erklärte sofort den Ausnahmezustand und versuchte, auf Halifax, den Flughafen, zu wechseln, aber aufgrund der Cockpitdecke elektrische Steuerkabel verursachte das Feuer außer Kontrolle und stürzte In 8 km Entfernung von der Küste von Nova Scotia wurden alle 215 Passagiere und 14 Besatzungsmitglieder getötet.

Die Crash-Untersuchung ergab, dass die in einem Abschnitt des neuen IFE verwendeten Materialien die Hauptursache für den Crash waren und dass die Materialien, die feuerfest sein sollten, verbrannt und auf kritische Kontrolllinien verteilt wurden. Obwohl es nicht sicher zu sagen ist, wird angenommen, dass der Lichtbogen zwischen den IFE-Drähten die Ursache des Feuers war. Obwohl diese Drähte mit Leistungsschaltern ausgestattet sind, lösen sie aufgrund von Lichtbögen nicht aus. Dies ist ein wahrer Fall von 229 Todesfällen, die durch unzureichenden Schutz der Stromkreise verursacht wurden. Solche Schaltungen sind jetzt mit Schutzfunktionen zur Erkennung von Lichtbogenfehlern ausgestattet, die auslösen, wenn ein Lichtbogen erfasst wird (ohne den Lichtbogen, der durch normale Vorgänge wie das Drücken eines Schalters erzeugt wird).

Usb-pd bringt mehr Gefahr

Der Schweizer MD-11 wird zwar eher durch einen elektrischen als durch einen elektronischen Ausfall verursacht, aber jetzt reichen immer mehr Schaltkreise aus, um einen Lichtbogen (und möglicherweise das Feuer des Lebens) von Spannung und Strom zu erzeugen, wie beispielsweise die Aufrüstung des USB-Netzteils (USB - PD) unterstützt bis zu 20 V und 5 a (maximale Leistung von 100 W) Hochspannung und Strom. Im Vergleich zu der 5-V-Spannung und dem 3-A-Strom (15 W) von USB Typ C ist das Upgrade von USB-PD eine große Verbesserung, erhöht aber auch die Wahrscheinlichkeit von Gefahren erheblich.

Zusätzlich zu den mit Hochspannung und Strom verbundenen Risiken kann usb-pd bei Verwendung mit USB-Typ-C-Steckern und -Kabeln andere Probleme verursachen. Dies liegt daran, dass der Pinabstand des USB-Typ-C-Steckers nur 0,5 mm beträgt, ein Fünftel des Abstands des Typ-A- und Typ-B-Steckers, wodurch das Risiko eines Kurzschlusses aufgrund der leichten Verzerrung des Steckers während erhöht wird Einsetzen oder Entfernen. Verunreinigungen, die sich im Stecker ansammeln, können einen ähnlichen Effekt haben. Darüber hinaus hat die Popularität von USB Typ C auch zu einer signifikanten Entwicklung von Kabeln geführt, obwohl viele Kabel immer noch nicht in der Lage sind, 100 W Leistung zu führen, aber sie werden nicht identifiziert. Diese Zeichen garantieren jedoch keine Sicherheit. Wenn der Verbraucher ein nicht spezifiziertes Kabel verwenden möchte, kann es auch so einfach wie ein qualifiziertes Kabel an eine USB-PD-Buchse angeschlossen werden.

Lichtbögen sind nicht die einzige Gefahr, wenn usb-pd bei hohen Spannungen und Strömen verwendet wird. Da sich der Hauptbus-Stromversorgungsstift sehr nahe an den anderen Stiften des Steckers befindet, kann ein Kurzschluss die nachgeschaltete Elektronik leicht einem Stromstoß wie einer 20-V-Kurzschlussspannung aussetzen, die einen Fehler verursachen kann. Beispielsweise kann die Induktivität eines ein Meter langen USB-Kabels "schwingen", wodurch die Spitzenspannung viel höher als die 20-V-Kurzschlussspannung ist (manchmal doppelt so hoch). Bei einigen Anwendungen kann der Ausfall von nachgeschalteten Geräten, die von Überspannungen betroffen sind, zu Sicherheitsproblemen führen, da Geräte, die üblicherweise zur Steuerung des maximalen Betriebsstroms und der maximalen Spannung von Kabeln verwendet werden, am anfälligsten für Beschädigungen sind.

Voller Stromkreisschutz

Usb-pd kann Lichtbögen erzeugen oder Komponenten beschädigen, wenn es mit dem höchsten Nennstrom und der höchsten Nennspannung betrieben wird. Daher kann nicht gesagt werden, dass die Schutzschaltung völlig unbrauchbar ist. In Anwendungen, in denen häufig der USB-PD-Maximalleistungsmodus verwendet wird, z. B. beim Laden eines tragbaren Computerakkus, muss ein vollständiger Schutz des Stromkreises bereitgestellt werden.

TVS-Dioden (Transient Voltage Suppression), die zwischen Pin und Masse einer USB-Typ-C-Buchse installiert sind, sind relativ einfach und kostengünstig. Im Falle eines vorübergehenden Kurzschlusses "drückt" die TVS-Diode die Spitzenspannung auf einen Pegel, dem der angeschlossene Teil standhalten kann. Während TVS-Dioden einen guten Transientenschutz bieten, sind sie nicht ideal für kontinuierliche Überspannungsereignisse. Um diese Probleme zu lösen, ist eine zusätzliche Schaltung ähnlich dem Überspannungsschutz erforderlich, die mit einem n-Kanal-MOSFET gepaart ist. Während eines kontinuierlichen Überspannungsereignisses löst der Schutz den nMOSFET aus, um die Last vom Eingang zu trennen, wodurch eine Überlastung des angeschlossenen nachgeschalteten Geräts verhindert wird. TVS-Dioden, Schutzvorrichtungen und nmosfets können jedoch immer noch nicht allen Überspannungssituationen standhalten. Gelegentlich treten Kurzschlüsse um USB-Kabel auf. In diesem Fall ist die Induktivität der Buchse sehr niedrig, wodurch die Spannung schneller ansteigt als die Ansprechgeschwindigkeit der Schutzvorrichtung und des nMOSFET, sodass mehr Klemmvorrichtungen verwendet werden können, um die Spannungsanstiegszeit zu verlängern, so dass die Schutzvorrichtung genügend hat Zeit abzuschneiden.

Umfassender Schutz erhöht praktisch die Kosten und die Komplexität von USB-PD-Anwendungen. Dies kann jedoch durch Auswahl der richtigen Komponenten vermieden werden. Die Hersteller bieten ab sofort integrierte Geräte an, die TVS-Dioden, Schutz und Klemmen in einem einzigen Gehäuse integrieren (der nMOSFET wird normalerweise als diskreter Chip aufbewahrt). Dies spart Geld und Platz und vereinfacht das Design des USB-PD-Schutzes.