回路保護がエレクトロニクス開発の終わりになることは決してありません

回路保護は保険のようなものです。せいぜい、後付けと見なすことができ、適切にインストールされていても十分でない場合がよくあります。保険への過小投資はビジネスの安定運営を脅かす可能性がありますが、不十分な回路保護は生命の喪失などのより深刻な結果につながる可能性があります。

ジョンfを出発したスイス航空111便の場合の回路保護の重要性を説明します。 1998年9月2日にニューヨークのケネディ国際空港。このフライトは、飛行中のエンターテイメント（IFE）システムを最近アップグレードした7歳のマクドネルダグラスmd-11によって運航されました。離陸後52分から煙が出て、コックピットが急に乗務員が緊急事態を宣言し、空港のハリファックスに代替しようとしたが、コックピット天井の電気制御ケーブルが原因で火が燃え尽きて墜落したノバスコシア海岸から8 kmの海で、215人の乗客と14人の乗員を殺しました。

衝突調査では、新しいIFEの1つのセクションで使用された材料がクラッシュの主な原因であり、耐火性であると想定されていた材料が燃え尽き、重要な制御ラインに拡散したことが判明しました。確実とは言えないが、IFE線間のアークが原因であったと考えられる。これらのワイヤには回路ブレーカーが付いていますが、アーク放電のためトリップしません。これは、不十分な回路保護によって引き起こされた229人の死亡の真のケースです。このような回路には、アークが検出されたときにトリップするアーク障害検出保護機能が装備されています（スイッチを押すなどの通常の操作によって生成されるアークは含まれません）。

USB-PDはさらに危険をもたらす

スイスのMD-11は電子的故障ではなく電気的故障が原因ですが、USB電源のアップグレードなど、電圧と電流のアークを生成する（そして生命の火事を危険にさらす）のに十分な回路が増えています（USB-PD）、最大20 Vおよび5 A（最大電力100 W）の高電圧および電流をサポートできます。 USB type-cの5V電圧および3A電流（15W）と比較して、usb-pdのアップグレードは大きな改善ですが、危険の可能性も大幅に増加します。

高電圧および高電流に関連するリスクに加えて、usb-pdは、USB type-cコネクタおよびケーブルと一緒に使用すると、他の問題を引き起こす可能性があります。これは、USB Type-Cコネクタのピン間隔が0.5mmであり、Type-AおよびType-Bコネクタの5分の1であるため、コネクタのわずかな歪みによる短絡のリスクが高まるためです。挿入または取り外し。コネクタ内に蓄積する不純物も同様の影響を与える可能性があります。さらに、USB type-cの人気により、ケーブルが大幅に開発されましたが、多くのケーブルはまだ100 Wの電力を運ぶことができませんが、特定されていません。ただし、これらの兆候はセキュリティを保証するものではありません。消費者が不特定のケーブルを使用したい場合は、適格なケーブルと同じくらい簡単にusb-pdソケットに接続することもできます。

高電圧と高電流でusb-pdを使用する場合、アークだけが危険ではありません。メインバスの電源ピンはコネクタの他のピンに非常に近いため、短絡が発生すると、ダウンストリームの電子機器が20Vの短絡電圧などの電力サージに簡単にさらされ、障害が発生する可能性があります。たとえば、1 mのUSBケーブルのインダクタンスが「振動」し、ピーク電圧が20Vの短絡電圧（場合によっては2倍になる）よりもはるかに高くなることがあります。一部のアプリケーションでは、ケーブルの最大動作電流と最大電圧を制御するために一般的に使用されるデバイスが損傷に対して最も脆弱であるため、過電圧の影響を受けるダウンストリーム機器の故障が安全上の問題を引き起こす可能性があります。

完全な回路保護

usb-pdは、最高定格の電流と電圧で動作すると、アークを生成したりコンポーネントを損傷したりする可能性があるため、保護回路が完全に役に立たないとは言えません。 usb-pd最大電力モードが頻繁に使用されるアプリケーション、たとえばポータブルコンピュータのバッテリを充電する場合、完全な回路保護を提供する必要があります。

USB Type-Cソケットのピンとグランドの間に取り付けられた過渡電圧抑制（TVS）ダイオードは、比較的単純で安価な回路保護です。過渡的な短絡の場合、TVSダイオードは、接続された部品が耐えられるレベルまでピーク電圧を「ピンチ」します。 TVSダイオードは優れた過渡保護を提供しますが、連続的な過電圧イベントには理想的ではありません。これらの問題を解決するには、過電圧保護と同様に、nチャネルMOSFETと組み合わせた追加の回路が必要です。連続的な過電圧イベントの間、ガードはnMOSFETをトリガーして入力から負荷を切断し、接続されたダウンストリームデバイスの過負荷を防止します。しかし、TVSダイオード、ガード、およびnmosfetは、すべての過電圧状況に耐えることはできません。ときどき、USBケーブルの周囲で短絡が発生します。この場合、ソケットのインダクタンスは非常に低いため、電圧上昇は保護デバイスおよびnMOSFETの応答速度よりも速くなるため、より多くのクランプデバイスを使用して電圧上昇時間を延長でき、保護デバイスに十分な切り捨てる時間。

包括的な保護により、USB-PDアプリケーションのコストと複雑さが実質的に増加しますが、これは適切なコンポーネントを選択することで回避できます。メーカーは現在、TVSダイオード、保護、およびクランプを単一のパッケージに統合する統合デバイス（nMOSFETは通常ディスクリートチップとして保持されます）を提供し始めており、usb-pd保護設計を簡素化しながらコストとスペースを節約しています。

結論

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. 回路保護は保険のようなものです。せいぜい、後付けと見なすことができ、適切にインストールされていても十分でない場合がよくあります。保険への過小投資はビジネスの安定運営を脅かす可能性がありますが、不十分な回路保護は生命の喪失などのより深刻な結果につながる可能性があります。


ジョンfを出発したスイス航空111便の場合の回路保護の重要性を説明します。 1998年9月2日にニューヨークのケネディ国際空港。このフライトは、飛行中のエンターテイメント（IFE）システムを最近アップグレードした7歳のマクドネルダグラスmd-11によって運航されました。離陸後52分から煙が出て、コックピットが急に乗務員が緊急事態を宣言し、空港のハリファックスに代替しようとしたが、コックピット天井の電気制御ケーブルが原因で火が燃え尽きて墜落したノバスコシア海岸から8 kmの海で、215人の乗客と14人の乗員を殺しました。

衝突調査では、新しいIFEの1つのセクションで使用された材料がクラッシュの主な原因であり、耐火性であると想定されていた材料が燃え尽き、重要な制御ラインに拡散したことが判明しました。確実とは言えないが、IFE線間のアークが原因であったと考えられる。これらのワイヤには回路ブレーカーが付いていますが、アーク放電のためトリップしません。これは、不十分な回路保護によって引き起こされた229人の死亡の真のケースです。このような回路には、アークが検出されたときにトリップするアーク障害検出保護機能が装備されています（スイッチを押すなどの通常の操作によって生成されるアークは含まれません）。

USB-PDはさらに危険をもたらす

スイスのMD-11は電子的故障ではなく電気的故障が原因ですが、USB電源のアップグレードなど、電圧と電流のアークを生成する（そして生命の火事を危険にさらす）のに十分な回路が増えています（USB-PD）、最大20 Vおよび5 A（最大電力100 W）の高電圧および電流をサポートできます。 USB type-cの5V電圧および3A電流（15W）と比較して、usb-pdのアップグレードは大きな改善ですが、危険の可能性も大幅に増加します。

高電圧および高電流に関連するリスクに加えて、usb-pdは、USB type-cコネクタおよびケーブルと一緒に使用すると、他の問題を引き起こす可能性があります。これは、USB Type-Cコネクタのピン間隔が0.5mmであり、Type-AおよびType-Bコネクタの5分の1であるため、コネクタのわずかな歪みによる短絡のリスクが高まるためです。挿入または取り外し。コネクタ内に蓄積する不純物も同様の影響を与える可能性があります。さらに、USB type-cの人気により、ケーブルが大幅に開発されましたが、多くのケーブルはまだ100 Wの電力を運ぶことができませんが、特定されていません。ただし、これらの兆候はセキュリティを保証するものではありません。消費者が不特定のケーブルを使用したい場合は、適格なケーブルと同じくらい簡単にusb-pdソケットに接続することもできます。

高電圧と高電流でusb-pdを使用する場合、アークだけが危険ではありません。メインバスの電源ピンはコネクタの他のピンに非常に近いため、短絡が発生すると、ダウンストリームの電子機器が20Vの短絡電圧などの電力サージに簡単にさらされ、障害が発生する可能性があります。たとえば、1 mのUSBケーブルのインダクタンスが「振動」し、ピーク電圧が20Vの短絡電圧（場合によっては2倍になる）よりもはるかに高くなることがあります。一部のアプリケーションでは、ケーブルの最大動作電流と最大電圧を制御するために一般的に使用されるデバイスが損傷に対して最も脆弱であるため、過電圧の影響を受けるダウンストリーム機器の故障が安全上の問題を引き起こす可能性があります。

完全な回路保護

usb-pdは、最高定格の電流と電圧で動作すると、アークを生成したりコンポーネントを損傷したりする可能性があるため、保護回路が完全に役に立たないとは言えません。 usb-pd最大電力モードが頻繁に使用されるアプリケーション、たとえばポータブルコンピュータのバッテリを充電する場合、完全な回路保護を提供する必要があります。

USB Type-Cソケットのピンとグランドの間に取り付けられた過渡電圧抑制（TVS）ダイオードは、比較的単純で安価な回路保護です。過渡的な短絡の場合、TVSダイオードは、接続された部品が耐えられるレベルまでピーク電圧を「ピンチ」します。 TVSダイオードは優れた過渡保護を提供しますが、連続的な過電圧イベントには理想的ではありません。これらの問題を解決するには、過電圧保護と同様に、nチャネルMOSFETと組み合わせた追加の回路が必要です。連続的な過電圧イベントの間、ガードはnMOSFETをトリガーして入力から負荷を切断し、接続されたダウンストリームデバイスの過負荷を防止します。しかし、TVSダイオード、ガード、およびnmosfetは、すべての過電圧状況に耐えることはできません。ときどき、USBケーブルの周囲で短絡が発生します。この場合、ソケットのインダクタンスは非常に低いため、電圧上昇は保護デバイスおよびnMOSFETの応答速度よりも速くなるため、より多くのクランプデバイスを使用して電圧上昇時間を延長でき、保護デバイスに十分な切り捨てる時間。

包括的な保護により、USB-PDアプリケーションのコストと複雑さが実質的に増加しますが、これは適切なコンポーネントを選択することで回避できます。メーカーは現在、TVSダイオード、保護、およびクランプを単一のパッケージに統合する統合デバイス（nMOSFETは通常ディスクリートチップとして保持されます）を提供し始めており、usb-pd保護設計を簡素化しながらコストとスペースを節約しています。