Это сложный вопрос как для дизайнеров, так и для производителей, и, в конечном итоге, актуальный для конечных потребителей, которые ожидают от своей продукции не только функциональности, но и безопасности.
Защита цепей — это повседневная рутина.
Представьте себе следующую ситуацию: утро, пробежка, влажная погода... кроссовки, носки и нейлоновая футболка. Все это вместе может кратковременно вызвать электростатический разряд (ЭСР) напряжением 30 000 В — потенциальную угрозу для вашего смартфона или любого другого портативного устройства, воспроизводящего вашу любимую музыку.
Представьте, что вы подходите к компьютеру, и — бац! — внезапно всё перезагружается. Ваша первая мысль: вредоносная программа или вирус, компьютер слишком старый или оборудование вышло из строя. Вам бы и в голову не пришло, что простой контакт вашего костюма с компьютером вызвал кратковременный, но мощный электрический разряд.
Защита цепей — рутинная задача, однако проблемы, связанные с перенапряжением и перегрузкой по току, для большинства инженеров остаются на втором плане. Почему? Потому что с расширением круга задач и сокращением циклов проектирования большинство инженеров отодвигают защиту цепей на последнее место в списке дел. «Быстрее» — вот девиз сегодняшнего дня! Сегодня инженеры должны как можно быстрее разработать основную функциональность своих устройств. Они должны создать форму, разработать программное обеспечение, построить прототип и протестировать концепцию. Только тогда, если вообще когда-либо, у них останется время подумать о защите цепей.
Экономия ценного времени разработки:
такой подход создает больше проблем, чем когда-либо, для дизайнеров продукции. Мобильные телефоны, компьютеры и музыкальные плееры становятся все меньше и меньше. Более того, они работают при микроскопических напряжениях, которые более подвержены электростатическому разряду, ударам молнии на расстоянии, возгоранию двигателей и токам утечки от технологического оборудования. Обычно это 10 000 или 15 000 вольт, но опыт показывает, что оно может достигать 30 000 вольт.
Неприятным следствием откладывания подобных задач на последний момент является ухудшение функциональности конструкции. Поскольку устройства становятся всё меньше и требуют сборки множества компонентов, инженеры больше не могут найти место для устройств защиты цепей на печатных платах. В результате им приходится перепроектировать платы и терять ценное время разработки — время, которое можно было бы сэкономить, если бы защита цепей была предусмотрена с самого начала. Что ещё хуже, во многих случаях инженеры вообще не задумываются о защите цепей, а вместо этого спешат выбрать любое доступное решение и неподходящее защитное устройство, что приводит к функциональным сбоям, низкой надёжности, проблемам с безопасностью, поражению электрическим током или даже пожару.
Чтобы помочь инженерному сообществу в предотвращении подобных печальных сценариев, мы приводим здесь несколько рекомендаций от экспертов, чья профессиональная деятельность связана с вопросами защиты от перегрузок по току и устойчивости к поражению электрическим током:
Размышляя о защите цепи на этапе разработки самого чипа:
слишком позднее рассмотрение вопроса защиты цепи на этапе проектирования может иметь серьезные последствия для любого инженера-разработчика. Такой сценарий может привести к ситуации, когда для устройства защиты от электростатического разряда не останется места. Или, что еще хуже, к неоптимальному расположению, при котором устройство не будет функционировать должным образом.
Чтобы избежать этих проблем, лучше всего начинать задумываться именно на этапе выбора микросхемы и проектирования печатной платы. Таким образом, становятся известны значения электростатического разряда (ESD), и разработчики знают, насколько надежны и чувствительны микросхемы. Некоторые из этих микросхем работают при напряжении 1,5 вольт, и для их повреждения достаточно совсем небольшого воздействия. Опыт показывает, что проектирование схем гораздо сложнее и деликатнее, чем мы иногда себе представляем.
Понимание угроз:
Предохранители просты, их понимают все, но перенапряжение может быть не столь очевидным, и его последствия могут остаться незамеченными. Однако эти последствия существуют, даже если они не столь катастрофичны, как последствия перегрузки по току.
Знаете ли вы, например, что скачки напряжения выводили из строя даже телескоп Хаббл, останавливали нефтеперерабатывающие заводы, уничтожали смартфоны и останавливали американские горки в середине движения? В некоторых портативных медицинских устройствах скачки напряжения могут быть даже опасны для жизни. Существует множество потенциальных источников чрезмерного тока и напряжения, начиная с обычной молнии, электростатического разряда, двигателей, сварочных аппаратов, а также упомянутых выше кроссовок и носков. Рассмотрим, например, молнию: люди понимают явление молнии, но они могут не знать, что она распространяется через землю, потенциально создавая огромные искажения волн в высоковольтных линиях электропередачи на расстоянии мили. И это лишь один пример того, насколько важно знать и понимать потенциальные опасности.
Определение потребностей:
Для точного прогнозирования потребностей продукта в защите цепей инженер-конструктор должен сначала представить, как он будет использоваться. Другими словами, важно знать, где он может оказаться, понимать его окружение и то, что может находиться рядом. Устройство будет более уязвимо в промышленных условиях, чем в офисе.
Как только разработчик поймет условия эксплуатации, он сможет приступить к внесению корректировок. Начать следует с точек подключения. Устройство защиты от перенапряжения должно располагаться как можно ближе к разъему, но не на расстоянии пяти сантиметров. Понимание условий эксплуатации изделия и потенциальных опасностей, связанных с таким размещением, будет иметь решающее значение при выборе подходящего решения для защиты цепей.
Понимание стандартов
: Стандарты определяют конструкцию каждого продукта, включая защиту цепей. Более того, список стандартов, которые должны учитывать разработчики, кажется бесконечным. И они также различаются на международном, региональном и даже местном уровнях. Что касается защиты цепей, стандарты включают стандарты от Underwriters Labs, Energy Star, NEMA, ATCA, CSA Group, IEEE, а также от организаций по стандартизации в Канаде, Южной Америке, Японии, Корее и Европе, среди прочих.
Стандарты являются важнейшей частью любого проекта или отрасли. Инженеры-конструкторы обязаны быть в курсе всех соответствующих стандартов еще до начала проекта. Как и в случае с компонентами, знание и понимание правил, регулирующих определенные продукты, как на местном, так и на международном уровне, также должно быть частью начальной фазы проектирования. Другими словами, нельзя создать продукт, а затем начать искать стандарты, которые позволили бы ему функционировать на конкретном рынке.
Быть в курсе событий:
Поскольку защита цепей не преподается в университетах, большинство инженеров лучше разбираются в тонкостях проектирования изделий, чем в вопросах защиты от перегрузки по току и поражения электрическим током. Эта проблема усугубляется тем, что большинству инженеров-конструкторов приходится одновременно работать над множеством проектов, и у них слишком мало времени на изучение этой темы. Отраслевые аналитические обзоры, технические характеристики продукции и тематические исследования всегда полезны как источник информации и обучения, а также как примеры того, что сработало в определенных ситуациях, возможно, аналогичных нынешней.
В целом, хотя защита цепей официально не преподается в школах, это актуальная тема для повседневной жизни конечных потребителей, производителей, чья репутация бренда зависит от безупречной функциональности и безопасности их продукции, и инженеров-конструкторов, чей успех измеряется временем разработки и качеством. Это то, чему, несомненно, необходимо учиться на опыте и путем обмена знаниями внутри отрасли. Например, компания Littelfuse предлагает свой веб-сайт speed2design, который призван помочь инженерам, работающим в условиях ограниченного времени, найти решения по защите цепей.
Автор:
Бхарат Шеной, директор по техническому маркетингу подразделения электроники
автора
: Бхарат Шеной, директор по техническому маркетингу подразделения электроники, отвечает за анализ сегментов рынка, поддержку каналов сбыта и разработку приложений для подразделения электроники. Бхарат Шеной присоединился к Littelfuse в качестве директора по продажам в западном регионе США в 2008-2011 годах. Он начал свою карьеру в качестве офицера ВМС США на атомной подводной лодке и занимал различные должности в Tyco Electronics Circuit Protection, включая инженера по применению, директора по продажам и коммерческого директора.
