La protection des circuits ne sera jamais la fin du développement électronique

La protection des circuits est comme une assurance; au mieux, il peut être considéré comme une réflexion après coup, et même lorsqu'il est installé en place, ce n'est souvent pas suffisant. Bien qu'un sous-investissement dans l'assurance puisse menacer le fonctionnement stable d'une entreprise, une protection inadéquate des circuits peut entraîner des conséquences plus graves telles que la mort.

Nous illustrons l'importance de la protection des circuits dans le cas du vol swissair 111, qui partait de John f. L'aéroport international Kennedy à New York le 2 septembre 1998. Le vol était exploité par le McDonnell Douglas md-11, âgé de 7 ans, qui a récemment amélioré son système de divertissement en vol (IFE). Fumée de 52 minutes après le décollage, le poste de pilotage a soudainement et l'équipage a immédiatement déclaré l'état d'urgence, et a tenté d'alterner à Halifax, l'aéroport, mais en raison du câble de commande électrique du plafond du cockpit, l'incendie a perdu le contrôle et s'est écrasé dans 8 km de la mer depuis la côte de la Nouvelle-Écosse, tuant les 215 passagers et 14 membres d'équipage.

L'enquête sur l'accident a révélé que les matériaux utilisés dans une section du nouvel IFE étaient la principale cause de l'accident, et que les matériaux, qui étaient censés être ignifuges, ont brûlé et se sont propagés aux lignes de contrôle critiques. Bien qu'il soit impossible de dire avec certitude, il est supposé que l'arc électrique entre les fils IFE était la cause de l'incendie. Bien que ces fils soient équipés de disjoncteurs, ils ne se déclenchent pas en raison de la formation d'arcs. Il s'agit d'un véritable cas de 229 décès causés par une protection inadéquate des circuits. De tels circuits sont désormais équipés de protections de détection de défaut d'arc pour se déclencher lorsqu'un arc est détecté (sans compter l'arc produit par des opérations normales telles que l'appui sur un interrupteur).

L'USB-PD apporte plus de danger

Bien que le Swiss MD-11 soit causé par une panne électrique plutôt que par une panne électronique, mais maintenant de plus en plus de circuits suffisent à produire un arc (et peuvent mettre en danger le feu de la vie) de la tension et du courant, comme la mise à niveau de l'alimentation USB (USB - PD), il peut prendre en charge jusqu'à 20 V et 5 A (puissance maximale de 100 W) de haute tension et de courant. Par rapport à la tension 5V et au courant 3A (15W) de l'USB type-c, la mise à niveau de l'USB-pd est une grande amélioration, mais elle augmente également considérablement les risques de danger.

En plus des risques associés à la haute tension et au courant, l'usb-pd peut causer d'autres problèmes lorsqu'il est utilisé avec des connecteurs et des câbles USB de type c. En effet, l'espacement des broches du connecteur USB de type c n'est que de 0,5 mm, un cinquième de celui des connecteurs de type a et de type b, augmentant ainsi le risque de court-circuit A en raison de la légère distorsion du connecteur pendant insertion ou retrait. Les impuretés qui s'accumulent à l'intérieur du connecteur peuvent avoir un effet similaire. De plus, la popularité de l'USB de type c a également conduit au développement important de câbles, bien que de nombreux câbles ne soient toujours pas capables de transporter 100 W de puissance, mais ils ne sont pas identifiés. Cependant, ces panneaux ne garantissent pas la sécurité; Si le consommateur souhaite utiliser un câble non spécifié, il peut également être branché sur une prise usb-pd aussi facilement qu'un câble qualifié.

Les arcs ne sont pas le seul danger lorsque l'usb-pd est utilisé à des tensions et des courants élevés. Parce que la broche d'alimentation du bus principal est très proche des autres broches du connecteur, un court-circuit peut facilement exposer l'électronique en aval à une surtension telle qu'une tension de court-circuit de 20 V qui peut provoquer un défaut. Par exemple, l'inductance d'un câble USB d'un mètre de long peut «osciller», provoquant une tension de crête bien plus élevée que la tension de court-circuit de 20 V (parfois deux fois plus élevée). Pour certaines applications, la défaillance d'un équipement en aval affecté par une surtension peut entraîner des problèmes de sécurité, car les dispositifs couramment utilisés pour contrôler le courant et la tension de fonctionnement maximaux des câbles sont les plus vulnérables aux dommages.

Protection complète des circuits

L'usb-pd peut produire des arcs ou endommager les composants lors d'un fonctionnement au courant et à la tension nominale les plus élevés, donc on ne peut pas dire que le circuit de protection est complètement inutile. Dans les applications où le mode d'alimentation maximale usb-pd est fréquemment utilisé, par exemple lors du chargement d'une batterie d'ordinateur portable, une protection complète des circuits doit être fournie.

Les diodes de suppression de tension transitoire (TVS) installées entre la broche et la masse d'une prise USB de type c sont une protection de circuit relativement simple et peu coûteuse. Dans le cas d'un court-circuit transitoire, la diode TVS "pince" la tension de crête à un niveau que la partie connectée peut supporter. Bien que les diodes TVS offrent une bonne protection contre les transitoires, elles ne sont pas idéales pour les événements de surtension continue. Pour résoudre ces problèmes, un circuit supplémentaire, similaire à la protection contre les surtensions, couplé à un MOSFET à canal n est requis. Pendant un événement de surtension continue, le protecteur déclenche le nMOSFET pour déconnecter la charge de l'entrée, empêchant ainsi la surcharge du dispositif en aval connecté. Mais les diodes, protections et nmosfets TVS ne peuvent toujours pas résister à toutes les situations de surtension; Parfois, des courts-circuits autour des câbles USB se produisent. Dans ce cas, l'inductance de la prise est très faible, ce qui augmente la tension plus rapidement que la vitesse de réponse du dispositif de protection et du nMOSFET, de sorte que davantage de dispositifs de serrage peuvent être utilisés pour prolonger le temps de montée en tension, de sorte que le dispositif de protection a suffisamment le temps de couper.

Une protection complète augmente virtuellement le coût et la complexité des applications usb-pd, mais cela peut être évité en sélectionnant les bons composants. Les fabricants commencent maintenant à proposer des appareils intégrés qui intègrent les diodes TVS, la protection et les pinces dans un seul boîtier (le nMOSFET est généralement conservé comme une puce discrète), économisant de l'argent et de l'espace tout en simplifiant la conception de la protection usb-pd.

conclusion

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 protection des circuits est comme une assurance; au mieux, il peut être considéré comme une réflexion après coup, et même lorsqu'il est installé en place, ce n'est souvent pas suffisant. Bien qu'un sous-investissement dans l'assurance puisse menacer le fonctionnement stable d'une entreprise, une protection inadéquate des circuits peut entraîner des conséquences plus graves telles que la mort.


Nous illustrons l'importance de la protection des circuits dans le cas du vol swissair 111, qui partait de John f. L'aéroport international Kennedy à New York le 2 septembre 1998. Le vol était exploité par le McDonnell Douglas md-11, âgé de 7 ans, qui a récemment amélioré son système de divertissement en vol (IFE). Fumée de 52 minutes après le décollage, le poste de pilotage a soudainement et l'équipage a immédiatement déclaré l'état d'urgence, et a tenté d'alterner à Halifax, l'aéroport, mais en raison du câble de commande électrique du plafond du cockpit, l'incendie a perdu le contrôle et s'est écrasé dans 8 km de la mer depuis la côte de la Nouvelle-Écosse, tuant les 215 passagers et 14 membres d'équipage.

L'enquête sur l'accident a révélé que les matériaux utilisés dans une section du nouvel IFE étaient la principale cause de l'accident, et que les matériaux, qui étaient censés être ignifuges, ont brûlé et se sont propagés aux lignes de contrôle critiques. Bien qu'il soit impossible de dire avec certitude, il est supposé que l'arc électrique entre les fils IFE était la cause de l'incendie. Bien que ces fils soient équipés de disjoncteurs, ils ne se déclenchent pas en raison de la formation d'arcs. Il s'agit d'un véritable cas de 229 décès causés par une protection inadéquate des circuits. De tels circuits sont désormais équipés de protections de détection de défaut d'arc pour se déclencher lorsqu'un arc est détecté (sans compter l'arc produit par des opérations normales telles que l'appui sur un interrupteur).

L'USB-PD apporte plus de danger

Bien que le Swiss MD-11 soit causé par une panne électrique plutôt que par une panne électronique, mais maintenant de plus en plus de circuits suffisent à produire un arc (et peuvent mettre en danger le feu de la vie) de la tension et du courant, comme la mise à niveau de l'alimentation USB (USB - PD), il peut prendre en charge jusqu'à 20 V et 5 A (puissance maximale de 100 W) de haute tension et de courant. Par rapport à la tension 5V et au courant 3A (15W) de l'USB type-c, la mise à niveau de l'USB-pd est une grande amélioration, mais elle augmente également considérablement les risques de danger.

En plus des risques associés à la haute tension et au courant, l'usb-pd peut causer d'autres problèmes lorsqu'il est utilisé avec des connecteurs et des câbles USB de type c. En effet, l'espacement des broches du connecteur USB de type c n'est que de 0,5 mm, un cinquième de celui des connecteurs de type a et de type b, augmentant ainsi le risque de court-circuit A en raison de la légère distorsion du connecteur pendant insertion ou retrait. Les impuretés qui s'accumulent à l'intérieur du connecteur peuvent avoir un effet similaire. De plus, la popularité de l'USB de type c a également conduit au développement important de câbles, bien que de nombreux câbles ne soient toujours pas capables de transporter 100 W de puissance, mais ils ne sont pas identifiés. Cependant, ces panneaux ne garantissent pas la sécurité; Si le consommateur souhaite utiliser un câble non spécifié, il peut également être branché sur une prise usb-pd aussi facilement qu'un câble qualifié.

Les arcs ne sont pas le seul danger lorsque l'usb-pd est utilisé à des tensions et des courants élevés. Parce que la broche d'alimentation du bus principal est très proche des autres broches du connecteur, un court-circuit peut facilement exposer l'électronique en aval à une surtension telle qu'une tension de court-circuit de 20 V qui peut provoquer un défaut. Par exemple, l'inductance d'un câble USB d'un mètre de long peut «osciller», provoquant une tension de crête bien plus élevée que la tension de court-circuit de 20 V (parfois deux fois plus élevée). Pour certaines applications, la défaillance d'un équipement en aval affecté par une surtension peut entraîner des problèmes de sécurité, car les dispositifs couramment utilisés pour contrôler le courant et la tension de fonctionnement maximaux des câbles sont les plus vulnérables aux dommages.

Protection complète des circuits

L'usb-pd peut produire des arcs ou endommager les composants lors d'un fonctionnement au courant et à la tension nominale les plus élevés, donc on ne peut pas dire que le circuit de protection est complètement inutile. Dans les applications où le mode d'alimentation maximale usb-pd est fréquemment utilisé, par exemple lors du chargement d'une batterie d'ordinateur portable, une protection complète des circuits doit être fournie.

Les diodes de suppression de tension transitoire (TVS) installées entre la broche et la masse d'une prise USB de type c sont une protection de circuit relativement simple et peu coûteuse. Dans le cas d'un court-circuit transitoire, la diode TVS "pince" la tension de crête à un niveau que la partie connectée peut supporter. Bien que les diodes TVS offrent une bonne protection contre les transitoires, elles ne sont pas idéales pour les événements de surtension continue. Pour résoudre ces problèmes, un circuit supplémentaire, similaire à la protection contre les surtensions, couplé à un MOSFET à canal n est requis. Pendant un événement de surtension continue, le protecteur déclenche le nMOSFET pour déconnecter la charge de l'entrée, empêchant ainsi la surcharge du dispositif en aval connecté. Mais les diodes, protections et nmosfets TVS ne peuvent toujours pas résister à toutes les situations de surtension; Parfois, des courts-circuits autour des câbles USB se produisent. Dans ce cas, l'inductance de la prise est très faible, ce qui augmente la tension plus rapidement que la vitesse de réponse du dispositif de protection et du nMOSFET, de sorte que davantage de dispositifs de serrage peuvent être utilisés pour prolonger le temps de montée en tension, de sorte que le dispositif de protection a suffisamment le temps de couper.

Une protection complète augmente virtuellement le coût et la complexité des applications usb-pd, mais cela peut être évité en sélectionnant les bons composants. Les fabricants commencent maintenant à proposer des appareils intégrés qui intègrent les diodes TVS, la protection et les pinces dans un seul boîtier (le nMOSFET est généralement conservé comme une puce discrète), économisant de l'argent et de l'espace tout en simplifiant la conception de la protection usb-pd.