Tại sao chính xác là kết nối / ngắt kết nối các mạch với nguồn điện nguy hiểm?

Từ lâu tôi đã đọc về thiết kế USB và không nhận được một điều.

Một lợi thế của USB là nó có chức năng tách rời optron và điều này giúp kết nối / ngắt kết nối nguồn trên thiết bị an toàn. Điều này ngụ ý rằng kết nối trực tiếp (không tách rời) (như trong thiết kế cổng giao diện cũ) bằng cách nào đó không an toàn.

Tôi đã đọc ở đâu đó rằng một số quy trình nhất thời có thể xảy ra khi kết nối / ngắt kết nối và làm hỏng các mạch khi không có sự tách rời nhưng không thể tìm thấy một lời giải thích đơn giản về chính xác những gì có thể xảy ra.

Chính xác thì điều gì xảy ra khi kết nối / ngắt kết nối các thiết bị được cấp nguồn mà không tách rời? Một số ví dụ đơn giản về làm thế nào thiệt hại xảy ra?

Dây điện và đầu vào đóng vai trò là cuộn cảm và điện dung. Thông thường, vì lý do lọc, bạn cũng sẽ tìm thấy các thành phần thực (cuộn cảm và tụ điện) ngoài các yếu tố ký sinh của hệ thống. Khi cắm hoặc rút phích cắm thiết bị, bạn "nhấn" mạch bể LC cộng hưởng sẽ gây ra điện áp và dòng điện vượt quá mức ổn định và có thể phá hủy các thành phần nhạy cảm như vi điều khiển hoặc IC bộ nhớ.

Điều này xảy ra như một phản ứng bước khi kết nối và ngắt kết nối phích cắm. Khi kết nối (bật) bể cộng hưởng LC, nó sẽ xoay đến hai lần điện áp đặt vào. Khi bạn ngắt kết nối nó, bạn cũng có thể nhận được một xung tự do từ năng lượng được vuốt trong cuộn cảm. Để làm cho mọi thứ tồi tệ hơn, kết nối hoặc ngắt kết nối phích cắm không bao giờ là một sự kiện sạch. Nếu bạn nhìn kỹ bằng máy hiện sóng, bạn sẽ nhận thấy rằng mỗi kết nối hoặc ngắt kết nối bao gồm nhiều xung nhanh, có thể so sánh nhưng thường tệ hơn nhiều so với cái gọi là nảy của một công tắc.

Có một loạt các ghi chú ứng dụng ngoài kia về việc ngăn chặn các mạch khỏi loại thiệt hại "cắm nóng" này, ví dụ AN-88 của tuyến tính , tính năng thiết kế này của LTC hoặc ứng dụng này .

Cơ chế này đúng với dây nguồn và dây dữ liệu.

Ngoài ra, đầu vào tương tự hoặc kỹ thuật số không được bảo vệ có thể gây ra các sự kiện chốt nếu chúng được kết nối trước khi dây nguồn được kết nối. Điều này cũng có thể gây ra thiệt hại vĩnh viễn.

Điều này chỉ giải thích làm thế nào thiệt hại cho các thành phần vật lý có thể xảy ra. Ngoài ra, phần mềm cần thiết để thiết lập giao tiếp qua các giao diện có thể cắm nóng phải có khả năng nhận biết và hỗ trợ cắm nóng mà không bị treo.

Kết nối và tách rời là một vấn đề với chân nguồn, không phải đường dữ liệu. Các chân nguồn đang mang dòng điện lớn và dù sao cũng không thể được ghép nối.

Dòng vào được điều khiển bằng cách giới hạn lượng điện dung có thể được đặt trên các đường dây điện. Thông số kỹ thuật USB cho biết không quá 10 phaF giữa VBUS và GND. Xem phần 7.2.4.1 Giới hạn hiện tại của thông số kỹ thuật USB .

Khi một chức năng hoặc hub được cắm vào mạng, nó có một lượng điện dung trên bo mạch nhất định giữa VBUS và mặt đất. Ngoài ra, bộ điều chỉnh trên thiết bị có thể cung cấp dòng điện cho điện dung bỏ qua đầu ra của nó và cho chức năng ngay khi cấp nguồn. Do đó, nếu không có biện pháp nào được thực hiện để ngăn chặn nó, có thể có dòng điện tăng vọt vào thiết bị có thể kéo VBUS trên hub dưới mức hoạt động tối thiểu của nó. Dòng vào cũng có thể xảy ra khi chức năng công suất cao được chuyển sang chế độ công suất cao. Vấn đề này phải được giải quyết bằng cách hạn chế dòng vào và bằng cách cung cấp đủ điện dung trong mỗi hub để ngăn nguồn điện cung cấp cho các cổng khác không vượt quá dung sai. Một động lực bổ sung để hạn chế dòng xâm nhập là để giảm thiểu tiếp xúc,

Ngoài ra còn có tối thiểu 1 điện dung điện dung để triệt tiêu các tác động của việc tháo rời. Việc ngắt kết nối có thể gây ra sự tăng vọt điện áp từ độ tự cảm của cáp, nhưng nó không được coi là có hại. Xem 7.2.4.2 Detach động của thông số kỹ thuật USB:

Khi một thiết bị được tách ra khỏi mạng có dòng điện chạy trong cáp, độ tự cảm của cáp sẽ gây ra điện áp flyback lớn xảy ra ở đầu mở của cáp thiết bị. Điện áp flyback này không phá hủy. Các biện pháp bỏ qua thích hợp trên các cổng trung tâm sẽ triệt tiêu mọi tiếng ồn được ghép nối [từ thiết bị USB này sang thiết bị khác]. Dải tần của nhiễu này phụ thuộc ngược vào độ dài của cáp, tối đa là 60 MHz đối với cáp một mét. Điều này sẽ yêu cầu một số tụ điện bỏ qua điện dung thấp, điện cảm rất thấp trên mỗi đầu nối cổng trung tâm. Điện áp flyback và nhiễu mà nó tạo ra cũng được kiểm duyệt bởi điện dung bỏ qua ở đầu thiết bị của cáp. Cũng thế, phải có một số điện dung tối thiểu ở đầu thiết bị của cáp để đảm bảo rằng flyback cảm ứng ở đầu mở của cáp không làm cho điện áp ở đầu thiết bị bị phân cực ngược. Tối thiểu là 1,0 μF được khuyến nghị bỏ qua trên VBUS.

Tôi không quen với thuật ngữ "tách rời optron", nhưng sẽ gợi ý một vài lý do rằng, nói chung, kết nối và ngắt kết nối của các thiết bị sống là có vấn đề:

1. Một số thiết bị có thể không hài lòng nếu một số kết hợp kết nối nhất định được thực hiện, nhưng một số kết nối khác thì không. Ví dụ: một thiết bị có nguồn, nối đất và nhập dữ liệu, có thể cung cấp một lượng dòng điện đáng kể vào dòng dữ liệu nếu nguồn và dữ liệu được kết nối nhưng không nối đất. Với một số thiết kế đầu nối, các kết hợp kết nối như vậy có thể xảy ra, đặc biệt là nếu kết nối không được chèn hoặc loại bỏ hoàn toàn thẳng.
2. Nhiều thiết bị có thể hoạt động kỳ quặc khi bật nguồn. Nếu toàn bộ hệ thống bật nguồn cùng một lúc, mọi thứ có thể được giữ lại cho đến khi mọi thứ ổn định. Nếu một thiết bị mới được cắm vào sẽ tạo ra rác ngẫu nhiên trong một thời gian ngắn khi khởi động, phần còn lại của hệ thống có thể hiểu rác đó là dữ liệu thực.
3. Một số bảng mạch có mạch gần như không có dòng điện một khi VDD giảm xuống một volt hoặc hơn. Tắt nguồn thiết bị chính khi cắm bảng như vậy có thể xả hoàn toàn nắp lưu trữ (vì thiết bị chính có thể rút dòng điện khi VDD xuống đến một volt, ngay cả khi không có gì trên bo mạch cắm). Nếu một bảng như vậy được rút ra và cắm lại, nó có thể không thấy VDD hoàn toàn đi xuống đất, và do đó có thể không khởi động lại chính xác khi được lắp lại.

Bạn có thể thiết kế các thiết bị sao cho cắm nóng sẽ "thường" an toàn và có thể thêm các mức bảo vệ khác nhau để đảm bảo an toàn vô điều kiện, nhưng trong trường hợp không có thiết kế cụ thể để cắm nóng, bạn nên cẩn thận.