การป้องกันวงจรจะไม่สิ้นสุดการพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

การป้องกันวงจรเหมือนประกัน ที่ดีที่สุดก็สามารถมองเห็นเป็นภายหลังและแม้เมื่อติดตั้งในสถานที่ก็มักจะไม่เพียงพอ ในขณะที่การลงทุนในประกันภัยต่ำอาจคุกคามการดำเนินงานที่มั่นคงของธุรกิจการป้องกันวงจรที่ไม่เพียงพอสามารถนำไปสู่ผลที่ร้ายแรงยิ่งขึ้นเช่นการสูญเสียชีวิต

เราแสดงให้เห็นถึงความสำคัญของการป้องกันวงจรในกรณีของเที่ยวบินสวิสแอร์ 111 ซึ่งออกเดินทางจากจอห์นเอฟ สนามบินนานาชาติเคนเนดีในนิวยอร์กเมื่อวันที่ 2 กันยายน 1998 เที่ยวบินดังกล่าวดำเนินการโดย McDonnell Douglas อายุ 7 ปีซึ่งเป็น md-11 ซึ่งเพิ่งอัพเกรดระบบความบันเทิงในเที่ยวบิน (IFE) สูบบุหรี่จาก 52 นาทีหลังจากลงจากห้องนักบินทันทีและลูกเรือประกาศสถานการณ์ฉุกเฉินทันทีและพยายามสลับกับแฮลิแฟกซ์สนามบิน แต่เนื่องจากสายควบคุมเพดานไฟฟ้าของห้องนักบินทำให้เกิดไฟไหม้จากการควบคุมและล้มเหลว ใน 8 กม. ของทะเลจากชายฝั่งโนวาสโกเชียฆ่าผู้โดยสารทั้งหมด 215 คนและลูกเรือ 14 คน

การสืบสวนการชนพบว่าวัสดุที่ใช้ในส่วนหนึ่งของ IFE ใหม่เป็นสาเหตุหลักของการชนและวัสดุที่ควรทนไฟไหม้และแพร่กระจายไปยังสายควบคุมที่สำคัญ แม้ว่ามันจะเป็นไปไม่ได้ที่จะพูดได้อย่างแน่นอน แต่ก็สันนิษฐานว่าอาร์คไฟฟ้าระหว่างสาย IFE นั้นเป็นสาเหตุของไฟไหม้ แม้ว่าสายเหล่านี้จะติดตั้งกับเบรกเกอร์วงจรพวกเขาไม่ได้เดินทางเพราะเกิดขึ้น นี่เป็นกรณีที่แท้จริงของการเสียชีวิต 229 ครั้งที่เกิดจากการป้องกันวงจรไม่เพียงพอ ขณะนี้วงจรดังกล่าวมีการติดตั้งการป้องกันการตรวจจับความผิดของส่วนโค้งที่จะเดินทางเมื่อมีการตรวจจับส่วนโค้ง (ไม่รวมถึงส่วนโค้งที่เกิดจากการทำงานปกติเช่นการกดสวิตช์)

Usb-pd นำมาซึ่งอันตรายมากขึ้น

แม้ว่า Swiss MD - 11 นั้นเกิดจากความล้มเหลวทางไฟฟ้ามากกว่าความล้มเหลวทางอิเล็กทรอนิกส์ แต่ตอนนี้มีวงจรมากพอที่จะสร้างส่วนโค้ง (และอาจเป็นอันตรายต่อไฟแห่งชีวิต) ของแรงดันและกระแสเช่นการอัพเกรดของแหล่งจ่ายไฟ USB (USB - PD) สามารถรองรับสูงถึง 20 v และ 5 a (กำลังสูงสุด 100 w) แรงดันและกระแสสูง เมื่อเทียบกับแรงดัน 5V และ 3A ปัจจุบัน (15W) ของ USB type-c การอัพเกรดของ usb-pd เป็นการปรับปรุงครั้งใหญ่ แต่ก็เพิ่มความเป็นไปได้ที่จะเกิดอันตรายอย่างมาก

นอกเหนือจากความเสี่ยงที่เกี่ยวข้องกับแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟสูงแล้ว usb-pd อาจทำให้เกิดปัญหาอื่น ๆ เมื่อใช้กับตัวเชื่อมต่อและสายเคเบิลชนิด USB เนื่องจากระยะห่างพินของตัวเชื่อมต่อ USB-c มีขนาดเพียง 0.5 มม. หนึ่งในห้าของขั้วต่อ type-a และ type-b จึงเพิ่มความเสี่ยงของการลัดวงจรเนื่องจากความผิดเพี้ยนเล็กน้อยของขั้วต่อระหว่าง การแทรกหรือการลบ สิ่งสกปรกที่สะสมอยู่ภายในตัวเชื่อมต่ออาจมีผลกระทบที่คล้ายกัน นอกจากนี้ความนิยมของ USB type-c ยังนำไปสู่การพัฒนาที่สำคัญของสายเคเบิลแม้ว่าสายเคเบิลจำนวนมากยังคงไม่สามารถพกพาพลังงาน 100W แต่ไม่ได้ระบุ อย่างไรก็ตามสัญญาณเหล่านี้ไม่รับประกันความปลอดภัย; หากผู้ใช้บริการต้องการใช้สายเคเบิลที่ไม่ได้ระบุก็สามารถเสียบเข้ากับซ็อกเก็ต usb-pd ได้อย่างง่ายดายเช่นเดียวกับสายเคเบิลที่มีคุณสมบัติ

อาร์คไม่ได้เป็นอันตรายเพียงอย่างเดียวเมื่อใช้ usb-pd ที่แรงดันไฟฟ้าและกระแสสูง เนื่องจากพินกำลังของบัสหลักนั้นอยู่ใกล้กับพินตัวเชื่อมต่ออื่น ๆ ทำให้ไฟฟ้าลัดวงจรสามารถทำให้อิเล็กทรอนิกส์ดาวน์สตรีมเข้าสู่กระแสไฟกระชากเช่นแรงดันไฟฟ้าลัดวงจร 20V ที่อาจทำให้เกิดความผิดปกติได้ ตัวอย่างเช่นการเหนี่ยวนำของสายเคเบิล USB ยาวหนึ่งเมตรสามารถ "สั่น" ทำให้แรงดันไฟฟ้าสูงสุดจะสูงกว่าแรงดันไฟฟ้าลัดวงจร 20V (บางครั้งสูงเป็นสองเท่า) สำหรับบางแอพพลิเคชั่นความล้มเหลวของอุปกรณ์ดาวน์สตรีมที่ได้รับผลกระทบจากแรงดันไฟฟ้าเกินอาจทำให้เกิดปัญหาด้านความปลอดภัยเนื่องจากอุปกรณ์เหล่านั้นมักใช้ในการควบคุมกระแสไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้าสูงสุดของสายเคเบิล

ป้องกันวงจรเต็ม

Usb-pd สามารถสร้างส่วนโค้งหรือส่วนประกอบที่เสียหายเมื่อทำงานที่กระแสและแรงดันไฟฟ้าสูงสุดดังนั้นจึงไม่สามารถกล่าวได้ว่าวงจรป้องกันนั้นไม่มีประโยชน์อย่างสมบูรณ์ ในแอปพลิเคชันที่ใช้โหมดพลังงานสูงสุด usb-pd บ่อยครั้งเช่นเมื่อชาร์จแบตเตอรี่คอมพิวเตอร์พกพาจะต้องมีการป้องกันวงจรเต็ม

ไดโอดแรงดันไฟฟ้าชั่วคราว (TVS) ที่ติดตั้งระหว่างพินและกราวด์ของซ็อกเก็ต USB type-c นั้นค่อนข้างง่ายและป้องกันวงจรไม่แพง ในกรณีที่เกิดไฟฟ้าลัดวงจรไดโอด TVS "บีบ" แรงดันสูงสุดในระดับที่ส่วนที่เชื่อมต่อสามารถทนได้ ในขณะที่ไดโอด TVS ให้การป้องกันชั่วคราวที่ดี แต่ก็ไม่เหมาะสำหรับเหตุการณ์แรงดันไฟฟ้าเกินอย่างต่อเนื่อง เพื่อแก้ปัญหาเหล่านี้จำเป็นต้องมีวงจรเพิ่มเติมคล้ายกับการป้องกันแรงดันไฟฟ้าเกินที่จับคู่กับ MOSFET แบบ n-channel MOSFET ในระหว่างเหตุการณ์แรงดันไฟฟ้าเกินอย่างต่อเนื่องการ์ดจะเรียก nMOSFET เพื่อตัดการเชื่อมต่อโหลดจากอินพุตดังนั้นจึงป้องกันการโอเวอร์โหลดอุปกรณ์ดาวน์สตรีมที่เชื่อมต่อ แต่ TVS diodes, guards และ nmosfets ยังไม่สามารถทนต่อสถานการณ์แรงดันไฟฟ้าเกินได้ทั้งหมด บางครั้งอาจเกิดไฟฟ้าลัดวงจรรอบ ๆ สาย USB ในกรณีนี้ซ็อกเก็ตเหนี่ยวนำต่ำมากทำให้แรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้นเร็วกว่าความเร็วในการตอบสนองของอุปกรณ์ป้องกันและ nMOSFET ดังนั้นอุปกรณ์จับยึดสามารถใช้เพื่อยืดเวลาแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้นเพื่อให้อุปกรณ์ป้องกันมีเพียงพอ เวลาที่จะตัดออก

การป้องกันที่ครอบคลุมช่วยเพิ่มต้นทุนและความซับซ้อนของแอปพลิเคชัน usb-pd ได้อย่างแท้จริง แต่สามารถหลีกเลี่ยงได้โดยการเลือกส่วนประกอบที่เหมาะสม ผู้ผลิตเริ่มเสนออุปกรณ์ที่รวมไดโอด TVS, การป้องกันและที่หนีบเข้ากับแพ็คเกจเดียว (โดยปกติแล้ว nMOSFET จะถูกเก็บไว้เป็นชิปแยก) ประหยัดเงินและพื้นที่ในขณะที่ลดความซับซ้อนของการออกแบบ usb-pd

ข้อสรุป

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. การป้องกันวงจรเหมือนประกัน ที่ดีที่สุดก็สามารถมองเห็นเป็นภายหลังและแม้เมื่อติดตั้งในสถานที่ก็มักจะไม่เพียงพอ ในขณะที่การลงทุนในประกันภัยต่ำอาจคุกคามการดำเนินงานที่มั่นคงของธุรกิจการป้องกันวงจรที่ไม่เพียงพอสามารถนำไปสู่ผลที่ร้ายแรงยิ่งขึ้นเช่นการสูญเสียชีวิต


เราแสดงให้เห็นถึงความสำคัญของการป้องกันวงจรในกรณีของเที่ยวบินสวิสแอร์ 111 ซึ่งออกเดินทางจากจอห์นเอฟ สนามบินนานาชาติเคนเนดีในนิวยอร์กเมื่อวันที่ 2 กันยายน 1998 เที่ยวบินดังกล่าวดำเนินการโดย McDonnell Douglas อายุ 7 ปีซึ่งเป็น md-11 ซึ่งเพิ่งอัพเกรดระบบความบันเทิงในเที่ยวบิน (IFE) สูบบุหรี่จาก 52 นาทีหลังจากลงจากห้องนักบินทันทีและลูกเรือประกาศสถานการณ์ฉุกเฉินทันทีและพยายามสลับกับแฮลิแฟกซ์สนามบิน แต่เนื่องจากสายควบคุมเพดานไฟฟ้าของห้องนักบินทำให้เกิดไฟไหม้จากการควบคุมและล้มเหลว ใน 8 กม. ของทะเลจากชายฝั่งโนวาสโกเชียฆ่าผู้โดยสารทั้งหมด 215 คนและลูกเรือ 14 คน

การสืบสวนการชนพบว่าวัสดุที่ใช้ในส่วนหนึ่งของ IFE ใหม่เป็นสาเหตุหลักของการชนและวัสดุที่ควรทนไฟไหม้และแพร่กระจายไปยังสายควบคุมที่สำคัญ แม้ว่ามันจะเป็นไปไม่ได้ที่จะพูดได้อย่างแน่นอน แต่ก็สันนิษฐานว่าอาร์คไฟฟ้าระหว่างสาย IFE นั้นเป็นสาเหตุของไฟไหม้ แม้ว่าสายเหล่านี้จะติดตั้งกับเบรกเกอร์วงจรพวกเขาไม่ได้เดินทางเพราะเกิดขึ้น นี่เป็นกรณีที่แท้จริงของการเสียชีวิต 229 ครั้งที่เกิดจากการป้องกันวงจรไม่เพียงพอ ขณะนี้วงจรดังกล่าวมีการติดตั้งการป้องกันการตรวจจับความผิดของส่วนโค้งที่จะเดินทางเมื่อมีการตรวจจับส่วนโค้ง (ไม่รวมถึงส่วนโค้งที่เกิดจากการทำงานปกติเช่นการกดสวิตช์)

Usb-pd นำมาซึ่งอันตรายมากขึ้น

แม้ว่า Swiss MD - 11 นั้นเกิดจากความล้มเหลวทางไฟฟ้ามากกว่าความล้มเหลวทางอิเล็กทรอนิกส์ แต่ตอนนี้มีวงจรมากพอที่จะสร้างส่วนโค้ง (และอาจเป็นอันตรายต่อไฟแห่งชีวิต) ของแรงดันและกระแสเช่นการอัพเกรดของแหล่งจ่ายไฟ USB (USB - PD) สามารถรองรับสูงถึง 20 v และ 5 a (กำลังสูงสุด 100 w) แรงดันและกระแสสูง เมื่อเทียบกับแรงดัน 5V และ 3A ปัจจุบัน (15W) ของ USB type-c การอัพเกรดของ usb-pd เป็นการปรับปรุงครั้งใหญ่ แต่ก็เพิ่มความเป็นไปได้ที่จะเกิดอันตรายอย่างมาก

นอกเหนือจากความเสี่ยงที่เกี่ยวข้องกับแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟสูงแล้ว usb-pd อาจทำให้เกิดปัญหาอื่น ๆ เมื่อใช้กับตัวเชื่อมต่อและสายเคเบิลชนิด USB เนื่องจากระยะห่างพินของตัวเชื่อมต่อ USB-c มีขนาดเพียง 0.5 มม. หนึ่งในห้าของขั้วต่อ type-a และ type-b จึงเพิ่มความเสี่ยงของการลัดวงจรเนื่องจากความผิดเพี้ยนเล็กน้อยของขั้วต่อระหว่าง การแทรกหรือการลบ สิ่งสกปรกที่สะสมอยู่ภายในตัวเชื่อมต่ออาจมีผลกระทบที่คล้ายกัน นอกจากนี้ความนิยมของ USB type-c ยังนำไปสู่การพัฒนาที่สำคัญของสายเคเบิลแม้ว่าสายเคเบิลจำนวนมากยังคงไม่สามารถพกพาพลังงาน 100W แต่ไม่ได้ระบุ อย่างไรก็ตามสัญญาณเหล่านี้ไม่รับประกันความปลอดภัย; หากผู้ใช้บริการต้องการใช้สายเคเบิลที่ไม่ได้ระบุก็สามารถเสียบเข้ากับซ็อกเก็ต usb-pd ได้อย่างง่ายดายเช่นเดียวกับสายเคเบิลที่มีคุณสมบัติ

อาร์คไม่ได้เป็นอันตรายเพียงอย่างเดียวเมื่อใช้ usb-pd ที่แรงดันไฟฟ้าและกระแสสูง เนื่องจากพินกำลังของบัสหลักนั้นอยู่ใกล้กับพินตัวเชื่อมต่ออื่น ๆ ทำให้ไฟฟ้าลัดวงจรสามารถทำให้อิเล็กทรอนิกส์ดาวน์สตรีมเข้าสู่กระแสไฟกระชากเช่นแรงดันไฟฟ้าลัดวงจร 20V ที่อาจทำให้เกิดความผิดปกติได้ ตัวอย่างเช่นการเหนี่ยวนำของสายเคเบิล USB ยาวหนึ่งเมตรสามารถ "สั่น" ทำให้แรงดันไฟฟ้าสูงสุดจะสูงกว่าแรงดันไฟฟ้าลัดวงจร 20V (บางครั้งสูงเป็นสองเท่า) สำหรับบางแอพพลิเคชั่นความล้มเหลวของอุปกรณ์ดาวน์สตรีมที่ได้รับผลกระทบจากแรงดันไฟฟ้าเกินอาจทำให้เกิดปัญหาด้านความปลอดภัยเนื่องจากอุปกรณ์เหล่านั้นมักใช้ในการควบคุมกระแสไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้าสูงสุดของสายเคเบิล

ป้องกันวงจรเต็ม

Usb-pd สามารถสร้างส่วนโค้งหรือส่วนประกอบที่เสียหายเมื่อทำงานที่กระแสและแรงดันไฟฟ้าสูงสุดดังนั้นจึงไม่สามารถกล่าวได้ว่าวงจรป้องกันนั้นไม่มีประโยชน์อย่างสมบูรณ์ ในแอปพลิเคชันที่ใช้โหมดพลังงานสูงสุด usb-pd บ่อยครั้งเช่นเมื่อชาร์จแบตเตอรี่คอมพิวเตอร์พกพาจะต้องมีการป้องกันวงจรเต็ม

ไดโอดแรงดันไฟฟ้าชั่วคราว (TVS) ที่ติดตั้งระหว่างพินและกราวด์ของซ็อกเก็ต USB type-c นั้นค่อนข้างง่ายและป้องกันวงจรไม่แพง ในกรณีที่เกิดไฟฟ้าลัดวงจรไดโอด TVS "บีบ" แรงดันสูงสุดในระดับที่ส่วนที่เชื่อมต่อสามารถทนได้ ในขณะที่ไดโอด TVS ให้การป้องกันชั่วคราวที่ดี แต่ก็ไม่เหมาะสำหรับเหตุการณ์แรงดันไฟฟ้าเกินอย่างต่อเนื่อง เพื่อแก้ปัญหาเหล่านี้จำเป็นต้องมีวงจรเพิ่มเติมคล้ายกับการป้องกันแรงดันไฟฟ้าเกินที่จับคู่กับ MOSFET แบบ n-channel MOSFET ในระหว่างเหตุการณ์แรงดันไฟฟ้าเกินอย่างต่อเนื่องการ์ดจะเรียก nMOSFET เพื่อตัดการเชื่อมต่อโหลดจากอินพุตดังนั้นจึงป้องกันการโอเวอร์โหลดอุปกรณ์ดาวน์สตรีมที่เชื่อมต่อ แต่ TVS diodes, guards และ nmosfets ยังไม่สามารถทนต่อสถานการณ์แรงดันไฟฟ้าเกินได้ทั้งหมด บางครั้งอาจเกิดไฟฟ้าลัดวงจรรอบ ๆ สาย USB ในกรณีนี้ซ็อกเก็ตเหนี่ยวนำต่ำมากทำให้แรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้นเร็วกว่าความเร็วในการตอบสนองของอุปกรณ์ป้องกันและ nMOSFET ดังนั้นอุปกรณ์จับยึดสามารถใช้เพื่อยืดเวลาแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้นเพื่อให้อุปกรณ์ป้องกันมีเพียงพอ เวลาที่จะตัดออก

การป้องกันที่ครอบคลุมช่วยเพิ่มต้นทุนและความซับซ้อนของแอปพลิเคชัน usb-pd ได้อย่างแท้จริง แต่สามารถหลีกเลี่ยงได้โดยการเลือกส่วนประกอบที่เหมาะสม ผู้ผลิตเริ่มเสนออุปกรณ์ที่รวมไดโอด TVS, การป้องกันและที่หนีบเข้ากับแพ็คเกจเดียว (โดยปกติแล้ว nMOSFET จะถูกเก็บไว้เป็นชิปแยก) ประหยัดเงินและพื้นที่ในขณะที่ลดความซับซ้อนของการออกแบบ usb-pd