Perlindungan sirkuit tidak akan pernah menjadi akhir dari pengembangan elektronik

Perlindungan sirkuit seperti asuransi; paling-paling, itu dapat dilihat sebagai renungan, dan bahkan ketika dipasang di tempat, seringkali tidak cukup. Sementara kurangnya investasi dalam asuransi dapat mengancam operasi bisnis yang stabil, perlindungan sirkuit yang tidak memadai dapat menyebabkan konsekuensi yang lebih serius seperti hilangnya nyawa.

Kami menggambarkan pentingnya perlindungan sirkuit dalam kasus penerbangan swissair 111, yang berangkat dari John f. Bandara internasional Kennedy di New York pada 2 September 1998. Penerbangan ini dioperasikan oleh McDonnell Douglas berusia 7 tahun, yang berusia 11 tahun, yang baru-baru ini meningkatkan sistem hiburan dalam pesawat (IFE). Asap dari 52 menit setelah lepas landas, kokpit tiba-tiba dan kru segera menyatakan keadaan darurat, dan mencoba untuk mengganti ke halifax, bandara, tetapi karena langit-langit kokpit kabel kontrol listrik menyebabkan api terbakar di luar kendali dan jatuh di 8 km dari laut dari pantai nova scotia, menewaskan semua 215 penumpang dan 14 anggota awak.

Investigasi kecelakaan menemukan bahwa bahan yang digunakan dalam satu bagian IFE baru adalah penyebab utama kecelakaan, dan bahwa bahan-bahan itu, yang seharusnya tahan api, terbakar dan menyebar ke jalur kontrol kritis. Meskipun tidak mungkin untuk mengatakan dengan pasti, diasumsikan bahwa busur listrik antara kabel IFE adalah penyebab kebakaran. Meskipun kabel ini dilengkapi dengan pemutus sirkuit, mereka tidak tersandung karena busur. Ini adalah kasus sebenarnya dari 229 kematian yang disebabkan oleh perlindungan sirkuit yang tidak memadai. Sirkuit semacam itu sekarang dilengkapi dengan perlindungan pendeteksian kesalahan busur untuk tersandung ketika busur dirasakan (tidak termasuk busur yang dihasilkan oleh operasi normal seperti menekan sakelar).

Usb-pd membawa lebih banyak bahaya

Meskipun Swiss MD - 11 disebabkan oleh kegagalan listrik dan bukan karena kegagalan elektronik, tetapi sekarang semakin banyak sirkuit yang cukup untuk menghasilkan busur (dan dapat membahayakan api kehidupan) dari tegangan dan arus, seperti peningkatan catu daya USB (USB - PD), dapat mendukung hingga 20 v dan 5 a (daya maksimum 100 w) dari tegangan dan arus tinggi. Dibandingkan dengan tegangan 5V dan arus 3A (15W) dari USB tipe-c, upgrade usb-pd adalah peningkatan besar, tetapi juga sangat meningkatkan kemungkinan bahaya.

Selain risiko yang terkait dengan tegangan dan arus tinggi, usb-pd dapat menyebabkan masalah lain saat digunakan dengan konektor dan kabel USB tipe-c. Ini karena jarak pin konektor USB tipe-c hanya 0,5mm, seperlima dari konektor tipe-a dan tipe-b, sehingga meningkatkan risiko korsleting karena sedikit distorsi konektor selama penyisipan atau penghapusan. Kotoran yang menumpuk di dalam konektor dapat memiliki efek serupa. Selain itu, popularitas USB tipe-c juga telah menyebabkan perkembangan signifikan kabel, meskipun banyak kabel masih tidak mampu membawa daya 100W, tetapi mereka tidak diidentifikasi. Namun, tanda-tanda ini tidak menjamin keamanan; Jika konsumen ingin menggunakan kabel yang tidak ditentukan, kabel itu juga bisa dicolokkan ke soket usb-pd semudah kabel yang berkualitas.

Arcs bukan satu-satunya bahaya ketika usb-pd digunakan pada tegangan dan arus tinggi. Karena pin daya bus utama sangat dekat dengan pin konektor lainnya, hubung singkat dapat dengan mudah mengekspos elektronik hilir ke lonjakan daya seperti tegangan hubung singkat 20V yang dapat menyebabkan kerusakan. Sebagai contoh, induktansi dari kabel USB sepanjang satu meter dapat "berosilasi", menyebabkan tegangan puncak menjadi jauh lebih tinggi daripada tegangan hubung singkat 20V (kadang-kadang dua kali lebih tinggi). Untuk beberapa aplikasi, kegagalan peralatan hilir yang dipengaruhi oleh tegangan lebih dapat menyebabkan masalah keamanan, karena perangkat yang biasanya digunakan untuk mengontrol arus operasi maksimum dan tegangan kabel adalah yang paling rentan terhadap kerusakan.

Perlindungan sirkuit penuh

Usb-pd dapat menghasilkan komponen busur atau kerusakan saat berjalan pada arus dan tegangan pengenal tertinggi, sehingga tidak dapat dikatakan bahwa rangkaian perlindungan sama sekali tidak berguna. Dalam aplikasi di mana mode daya maksimum usb-pd sering digunakan, misalnya saat mengisi baterai komputer portabel, perlindungan sirkuit penuh harus disediakan.

Dioda transient voltage suppression (TVS) yang dipasang antara pin dan arde dari soket tipe-c USB relatif sederhana dan perlindungan sirkuit murah. Dalam kasus hubung singkat transien, dioda TVS "mencubit" tegangan puncak ke tingkat yang dapat ditahan oleh bagian yang terhubung. Sementara dioda TVS memberikan perlindungan sementara yang baik, mereka tidak ideal untuk kejadian tegangan berlebih. Untuk mengatasi masalah ini, diperlukan sirkuit tambahan, mirip dengan proteksi tegangan lebih, dipasangkan dengan n-channel MOSFET. Selama peristiwa tegangan berlebih yang terus menerus, penjaga memicu nMOSFET untuk memutuskan sambungan dari input, sehingga mencegah kelebihan beban pada perangkat hilir yang terhubung. Tetapi dioda TV, penjaga, dan nmosfet masih tidak dapat menahan semua situasi tegangan lebih; Kadang-kadang, terjadi hubungan pendek di sekitar kabel USB. Dalam hal ini, induktansi soket sangat rendah, membuat tegangan naik lebih cepat daripada kecepatan respons perangkat perlindungan dan nMOSFET, sehingga lebih banyak perangkat penjepit dapat digunakan untuk memperpanjang waktu kenaikan tegangan, sehingga perangkat perlindungan memiliki cukup waktu untuk memotong.

Perlindungan menyeluruh sebenarnya meningkatkan biaya dan kompleksitas aplikasi usb-pd, tetapi ini dapat dihindari dengan memilih komponen yang tepat. Produsen sekarang mulai menawarkan perangkat terintegrasi yang mengintegrasikan dioda TVS, perlindungan dan klem ke dalam satu paket (nMOSFET biasanya disimpan sebagai chip diskrit), menghemat uang dan ruang sambil menyederhanakan desain perlindungan usb-pd.

kesimpulan

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. Perlindungan sirkuit seperti asuransi; paling-paling, itu dapat dilihat sebagai renungan, dan bahkan ketika dipasang di tempat, seringkali tidak cukup. Sementara kurangnya investasi dalam asuransi dapat mengancam operasi bisnis yang stabil, perlindungan sirkuit yang tidak memadai dapat menyebabkan konsekuensi yang lebih serius seperti hilangnya nyawa.


Kami menggambarkan pentingnya perlindungan sirkuit dalam kasus penerbangan swissair 111, yang berangkat dari John f. Bandara internasional Kennedy di New York pada 2 September 1998. Penerbangan ini dioperasikan oleh McDonnell Douglas berusia 7 tahun, yang berusia 11 tahun, yang baru-baru ini meningkatkan sistem hiburan dalam pesawat (IFE). Asap dari 52 menit setelah lepas landas, kokpit tiba-tiba dan kru segera menyatakan keadaan darurat, dan mencoba untuk mengganti ke halifax, bandara, tetapi karena langit-langit kokpit kabel kontrol listrik menyebabkan api terbakar di luar kendali dan jatuh di 8 km dari laut dari pantai nova scotia, menewaskan semua 215 penumpang dan 14 anggota awak.

Investigasi kecelakaan menemukan bahwa bahan yang digunakan dalam satu bagian IFE baru adalah penyebab utama kecelakaan, dan bahwa bahan-bahan itu, yang seharusnya tahan api, terbakar dan menyebar ke jalur kontrol kritis. Meskipun tidak mungkin untuk mengatakan dengan pasti, diasumsikan bahwa busur listrik antara kabel IFE adalah penyebab kebakaran. Meskipun kabel ini dilengkapi dengan pemutus sirkuit, mereka tidak tersandung karena busur. Ini adalah kasus sebenarnya dari 229 kematian yang disebabkan oleh perlindungan sirkuit yang tidak memadai. Sirkuit semacam itu sekarang dilengkapi dengan perlindungan pendeteksian kesalahan busur untuk tersandung ketika busur dirasakan (tidak termasuk busur yang dihasilkan oleh operasi normal seperti menekan sakelar).

Usb-pd membawa lebih banyak bahaya

Meskipun Swiss MD - 11 disebabkan oleh kegagalan listrik dan bukan karena kegagalan elektronik, tetapi sekarang semakin banyak sirkuit yang cukup untuk menghasilkan busur (dan dapat membahayakan api kehidupan) dari tegangan dan arus, seperti peningkatan catu daya USB (USB - PD), dapat mendukung hingga 20 v dan 5 a (daya maksimum 100 w) dari tegangan dan arus tinggi. Dibandingkan dengan tegangan 5V dan arus 3A (15W) dari USB tipe-c, upgrade usb-pd adalah peningkatan besar, tetapi juga sangat meningkatkan kemungkinan bahaya.

Selain risiko yang terkait dengan tegangan dan arus tinggi, usb-pd dapat menyebabkan masalah lain saat digunakan dengan konektor dan kabel USB tipe-c. Ini karena jarak pin konektor USB tipe-c hanya 0,5mm, seperlima dari konektor tipe-a dan tipe-b, sehingga meningkatkan risiko korsleting karena sedikit distorsi konektor selama penyisipan atau penghapusan. Kotoran yang menumpuk di dalam konektor dapat memiliki efek serupa. Selain itu, popularitas USB tipe-c juga telah menyebabkan perkembangan signifikan kabel, meskipun banyak kabel masih tidak mampu membawa daya 100W, tetapi mereka tidak diidentifikasi. Namun, tanda-tanda ini tidak menjamin keamanan; Jika konsumen ingin menggunakan kabel yang tidak ditentukan, kabel itu juga bisa dicolokkan ke soket usb-pd semudah kabel yang berkualitas.

Arcs bukan satu-satunya bahaya ketika usb-pd digunakan pada tegangan dan arus tinggi. Karena pin daya bus utama sangat dekat dengan pin konektor lainnya, hubung singkat dapat dengan mudah mengekspos elektronik hilir ke lonjakan daya seperti tegangan hubung singkat 20V yang dapat menyebabkan kerusakan. Sebagai contoh, induktansi dari kabel USB sepanjang satu meter dapat "berosilasi", menyebabkan tegangan puncak menjadi jauh lebih tinggi daripada tegangan hubung singkat 20V (kadang-kadang dua kali lebih tinggi). Untuk beberapa aplikasi, kegagalan peralatan hilir yang dipengaruhi oleh tegangan lebih dapat menyebabkan masalah keamanan, karena perangkat yang biasanya digunakan untuk mengontrol arus operasi maksimum dan tegangan kabel adalah yang paling rentan terhadap kerusakan.

Perlindungan sirkuit penuh

Usb-pd dapat menghasilkan komponen busur atau kerusakan saat berjalan pada arus dan tegangan pengenal tertinggi, sehingga tidak dapat dikatakan bahwa rangkaian perlindungan sama sekali tidak berguna. Dalam aplikasi di mana mode daya maksimum usb-pd sering digunakan, misalnya saat mengisi baterai komputer portabel, perlindungan sirkuit penuh harus disediakan.

Dioda transient voltage suppression (TVS) yang dipasang antara pin dan arde dari soket tipe-c USB relatif sederhana dan perlindungan sirkuit murah. Dalam kasus hubung singkat transien, dioda TVS "mencubit" tegangan puncak ke tingkat yang dapat ditahan oleh bagian yang terhubung. Sementara dioda TVS memberikan perlindungan sementara yang baik, mereka tidak ideal untuk kejadian tegangan berlebih. Untuk mengatasi masalah ini, diperlukan sirkuit tambahan, mirip dengan proteksi tegangan lebih, dipasangkan dengan n-channel MOSFET. Selama peristiwa tegangan berlebih yang terus menerus, penjaga memicu nMOSFET untuk memutuskan sambungan dari input, sehingga mencegah kelebihan beban pada perangkat hilir yang terhubung. Tetapi dioda TV, penjaga, dan nmosfet masih tidak dapat menahan semua situasi tegangan lebih; Kadang-kadang, terjadi hubungan pendek di sekitar kabel USB. Dalam hal ini, induktansi soket sangat rendah, membuat tegangan naik lebih cepat daripada kecepatan respons perangkat perlindungan dan nMOSFET, sehingga lebih banyak perangkat penjepit dapat digunakan untuk memperpanjang waktu kenaikan tegangan, sehingga perangkat perlindungan memiliki cukup waktu untuk memotong.

Perlindungan menyeluruh sebenarnya meningkatkan biaya dan kompleksitas aplikasi usb-pd, tetapi ini dapat dihindari dengan memilih komponen yang tepat. Produsen sekarang mulai menawarkan perangkat terintegrasi yang mengintegrasikan dioda TVS, perlindungan dan klem ke dalam satu paket (nMOSFET biasanya disimpan sebagai chip diskrit), menghemat uang dan ruang sambil menyederhanakan desain perlindungan usb-pd.