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A proteção do circuito nunca será o fim do desenvolvimento da eletrônica

2020-04-29
A proteção do circuito é como um seguro; na melhor das hipóteses, pode ser visto como uma reflexão tardia e, mesmo quando instalado no local, geralmente não é suficiente. Embora o subinvestimento em seguros possa ameaçar a operação estável de uma empresa, a proteção inadequada do circuito pode levar a consequências mais graves, como a perda de vidas.

Ilustramos a importância da proteção do circuito no caso do voo 111 da swissair, que partiu de John f. Aeroporto internacional Kennedy, em Nova York, em 2 de setembro de 1998. O vôo foi operado pelo McDonnell Douglas md-11, de 7 anos, que recentemente atualizou seu sistema de entretenimento a bordo (IFE). Fumaça 52 minutos após a decolagem, o cockpit subitamente e a tripulação declararam imediatamente um estado de resposta de emergência e tentaram alternar para halifax, o aeroporto, mas devido ao cabo de controle elétrico do teto do cockpit, o fogo ficou fora de controle e caiu. em 8 km do mar da costa da Nova Escócia, matando todos os 215 passageiros e 14 tripulantes.

A investigação do acidente constatou que os materiais usados ​​em uma seção do novo IFE eram a principal causa do acidente e que os materiais, que deveriam ser à prova de fogo, queimaram e se espalharam pelas linhas críticas de controle. Embora seja impossível dizer com certeza, presume-se que o arco elétrico entre os fios do IFE tenha sido a causa do incêndio. Embora esses fios sejam providos de disjuntores, eles não disparam devido ao arco. Este é um caso verdadeiro de 229 mortes causadas por proteção inadequada do circuito. Agora, esses circuitos estão equipados com proteções de detecção de falha de arco para desarmar quando um arco é detectado (não incluindo o arco produzido por operações normais, como pressionar um interruptor).

Usb-pd traz mais perigo

Embora o MD-11 suíço seja causado por falha elétrica em vez de eletrônica, mas agora cada vez mais circuitos são suficientes para produzir arco (e pode colocar em risco o incêndio da vida) de tensão e corrente, como a atualização da fonte de alimentação USB (USB - PD), pode suportar até 20 ve 5 a (potência máxima de 100 w) de alta tensão e corrente. Comparado à tensão de 5V e corrente de 3A (15W) do USB tipo c, a atualização do usb-pd é uma grande melhoria, mas também aumenta muito a possibilidade de perigo.

Além dos riscos associados à alta tensão e corrente, o usb-pd pode causar outros problemas quando usado com conectores e cabos USB tipo c. Isso ocorre porque o espaçamento entre os pinos do conector USB tipo c é de apenas 0,5 mm, um quinto do dos conectores tipo ae tipo b, aumentando assim o risco de um curto-circuito devido à ligeira distorção do conector durante a conexão. inserção ou remoção. As impurezas que se acumulam dentro do conector podem ter um efeito semelhante. Além disso, a popularidade do USB tipo c também levou ao desenvolvimento significativo de cabos, embora muitos cabos ainda não consigam carregar 100W de energia, mas eles não são identificados. No entanto, esses sinais não garantem segurança; Se o consumidor quiser usar um cabo não especificado, ele também poderá ser conectado a um soquete usb-pd tão facilmente quanto um cabo qualificado.

Os arcos não são o único perigo quando o usb-pd é usado em altas tensões e correntes. Como o pino de alimentação do barramento principal está muito próximo dos outros pinos do conector, um curto-circuito pode facilmente expor os componentes eletrônicos a jusante a uma oscilação de energia, como uma tensão de curto-circuito de 20V, que pode causar uma falha. Por exemplo, a indutância de um cabo USB de um metro de comprimento pode "oscilar", fazendo com que o pico de tensão seja muito superior à tensão de curto-circuito de 20V (às vezes duas vezes maior). Para algumas aplicações, a falha do equipamento a jusante que é afetada por sobretensão pode causar problemas de segurança, pois os dispositivos normalmente usados ​​para controlar a corrente operacional máxima e a tensão dos cabos são os mais vulneráveis ​​a danos.

Proteção de circuito completo

O usb-pd pode produzir arcos ou danificar os componentes ao operar com a corrente e tensão nominal mais altas, portanto, não se pode dizer que o circuito de proteção é completamente inútil. Em aplicações em que o modo de energia máxima usb-pd é freqüentemente usado, por exemplo, ao carregar uma bateria de computador portátil, é necessário fornecer proteção total do circuito.

Os diodos de supressão de tensão transitória (TVS) instalados entre o pino e o terra de um soquete USB tipo c são uma proteção de circuito relativamente simples e barata. No caso de um curto-circuito transitório, o diodo TVS "aperta" o pico de tensão para um nível que a parte conectada possa suportar. Embora os diodos TVS forneçam boa proteção contra transientes, eles não são ideais para eventos de sobretensão contínuos. Para resolver esses problemas, é necessário um circuito adicional, semelhante à proteção contra sobretensão, emparelhado com um MOSFET de canal n. Durante um evento contínuo de sobretensão, a proteção aciona o nMOSFET para desconectar a carga da entrada, evitando assim a sobrecarga do dispositivo conectado a jusante. Mas os diodos, guardas e nmosfets da TVS ainda não conseguem suportar todas as situações de sobretensão; Ocasionalmente, ocorrem curtos-circuitos nos cabos USB. Nesse caso, a indutância do soquete é muito baixa, aumentando a tensão mais rapidamente do que a velocidade de resposta do dispositivo de proteção e do nMOSFET, para que mais dispositivos de fixação possam ser usados ​​para prolongar o tempo de aumento da tensão, de modo que o dispositivo de proteção tenha o suficiente hora de cortar.

A proteção abrangente praticamente aumenta o custo e a complexidade dos aplicativos usb-pd, mas isso pode ser evitado selecionando os componentes certos. Agora, os fabricantes estão começando a oferecer dispositivos integrados que integram diodos TVS, proteção e grampos em um único pacote (o nMOSFET geralmente é mantido como um chip discreto), economizando dinheiro e espaço, simplificando o projeto de proteção USB-pd.

conclusão

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. A proteção do circuito é como um seguro; na melhor das hipóteses, pode ser visto como uma reflexão tardia e, mesmo quando instalado no local, geralmente não é suficiente. Embora o subinvestimento em seguros possa ameaçar a operação estável de uma empresa, a proteção inadequada do circuito pode levar a consequências mais graves, como a perda de vidas.


Ilustramos a importância da proteção do circuito no caso do voo 111 da swissair, que partiu de John f. Aeroporto internacional Kennedy, em Nova York, em 2 de setembro de 1998. O vôo foi operado pelo McDonnell Douglas md-11, de 7 anos, que recentemente atualizou seu sistema de entretenimento a bordo (IFE). Fumaça 52 minutos após a decolagem, o cockpit subitamente e a tripulação declararam imediatamente um estado de resposta de emergência e tentaram alternar para halifax, o aeroporto, mas devido ao cabo de controle elétrico do teto do cockpit, o fogo ficou fora de controle e caiu. em 8 km do mar da costa da Nova Escócia, matando todos os 215 passageiros e 14 tripulantes.

A investigação do acidente constatou que os materiais usados ​​em uma seção do novo IFE eram a principal causa do acidente e que os materiais, que deveriam ser à prova de fogo, queimaram e se espalharam pelas linhas críticas de controle. Embora seja impossível dizer com certeza, presume-se que o arco elétrico entre os fios do IFE tenha sido a causa do incêndio. Embora esses fios sejam providos de disjuntores, eles não disparam devido ao arco. Este é um caso verdadeiro de 229 mortes causadas por proteção inadequada do circuito. Agora, esses circuitos estão equipados com proteções de detecção de falha de arco para desarmar quando um arco é detectado (não incluindo o arco produzido por operações normais, como pressionar um interruptor).

Usb-pd traz mais perigo

Embora o MD-11 suíço seja causado por falha elétrica em vez de eletrônica, mas agora cada vez mais circuitos são suficientes para produzir arco (e pode colocar em risco o incêndio da vida) de tensão e corrente, como a atualização da fonte de alimentação USB (USB - PD), pode suportar até 20 ve 5 a (potência máxima de 100 w) de alta tensão e corrente. Comparado à tensão de 5V e corrente de 3A (15W) do USB tipo c, a atualização do usb-pd é uma grande melhoria, mas também aumenta muito a possibilidade de perigo.

Além dos riscos associados à alta tensão e corrente, o usb-pd pode causar outros problemas quando usado com conectores e cabos USB tipo c. Isso ocorre porque o espaçamento entre os pinos do conector USB tipo c é de apenas 0,5 mm, um quinto do dos conectores tipo ae tipo b, aumentando assim o risco de um curto-circuito devido à ligeira distorção do conector durante a conexão. inserção ou remoção. As impurezas que se acumulam dentro do conector podem ter um efeito semelhante. Além disso, a popularidade do USB tipo c também levou ao desenvolvimento significativo de cabos, embora muitos cabos ainda não consigam carregar 100W de energia, mas eles não são identificados. No entanto, esses sinais não garantem segurança; Se o consumidor quiser usar um cabo não especificado, ele também poderá ser conectado a um soquete usb-pd tão facilmente quanto um cabo qualificado.

Os arcos não são o único perigo quando o usb-pd é usado em altas tensões e correntes. Como o pino de alimentação do barramento principal está muito próximo dos outros pinos do conector, um curto-circuito pode facilmente expor os componentes eletrônicos a jusante a uma oscilação de energia, como uma tensão de curto-circuito de 20V, que pode causar uma falha. Por exemplo, a indutância de um cabo USB de um metro de comprimento pode "oscilar", fazendo com que o pico de tensão seja muito superior à tensão de curto-circuito de 20V (às vezes duas vezes maior). Para algumas aplicações, a falha do equipamento a jusante que é afetada por sobretensão pode causar problemas de segurança, pois os dispositivos normalmente usados ​​para controlar a corrente operacional máxima e a tensão dos cabos são os mais vulneráveis ​​a danos.

Proteção de circuito completo

O usb-pd pode produzir arcos ou danificar os componentes ao operar com a corrente e tensão nominal mais altas, portanto, não se pode dizer que o circuito de proteção é completamente inútil. Em aplicações em que o modo de energia máxima usb-pd é freqüentemente usado, por exemplo, ao carregar uma bateria de computador portátil, é necessário fornecer proteção total do circuito.

Os diodos de supressão de tensão transitória (TVS) instalados entre o pino e o terra de um soquete USB tipo c são uma proteção de circuito relativamente simples e barata. No caso de um curto-circuito transitório, o diodo TVS "aperta" o pico de tensão para um nível que a parte conectada possa suportar. Embora os diodos TVS forneçam boa proteção contra transientes, eles não são ideais para eventos de sobretensão contínuos. Para resolver esses problemas, é necessário um circuito adicional, semelhante à proteção contra sobretensão, emparelhado com um MOSFET de canal n. Durante um evento contínuo de sobretensão, a proteção aciona o nMOSFET para desconectar a carga da entrada, evitando assim a sobrecarga do dispositivo conectado a jusante. Mas os diodos, guardas e nmosfets da TVS ainda não conseguem suportar todas as situações de sobretensão; Ocasionalmente, ocorrem curtos-circuitos nos cabos USB. Nesse caso, a indutância do soquete é muito baixa, aumentando a tensão mais rapidamente do que a velocidade de resposta do dispositivo de proteção e do nMOSFET, para que mais dispositivos de fixação possam ser usados ​​para prolongar o tempo de aumento da tensão, de modo que o dispositivo de proteção tenha o suficiente hora de cortar.

A proteção abrangente praticamente aumenta o custo e a complexidade dos aplicativos usb-pd, mas isso pode ser evitado selecionando os componentes certos. Agora, os fabricantes estão começando a oferecer dispositivos integrados que integram diodos TVS, proteção e grampos em um único pacote (o nMOSFET geralmente é mantido como um chip discreto), economizando dinheiro e espaço, simplificando o projeto de proteção USB-pd.

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