Warum genau ist das Verbinden / Trennen von Stromkreisen bei eingeschalteter Stromversorgung gefährlich?

Vor langer Zeit habe ich über USB-Design gelesen und verstehe nichts.

Ein Vorteil von USB ist die Optron-Entkopplung, die das Anschließen / Trennen von eingeschalteten Geräten sicher macht. Dies impliziert, dass eine direkte (keine Entkopplung) Verbindung (wie bei älteren Schnittstellenports) irgendwie unsicher ist.

Ich habe irgendwo gelesen, dass einige vorübergehende Prozesse beim Verbinden / Trennen auftreten und die Schaltkreise beschädigen können, wenn keine Entkopplung erfolgt, aber keine einfache Erklärung dafür finden kann, was genau passieren könnte.

Was genau passiert beim Anschließen / Trennen von mit Strom versorgten Geräten ohne Entkopplung? Was ist ein einfaches Beispiel dafür, wie Schaden entsteht?

Drähte und Eingänge wirken als Induktivitäten und Kapazitäten. Aus Filtergründen finden Sie neben den parasitären Elementen des Systems häufig auch die realen Komponenten (Induktivitäten und Kondensatoren). Wenn Sie ein Gerät ein- oder ausstecken, "treffen" Sie einen resonanten LC-Tankkreis, der Spannungs- und Stromschwankungen über den stationären Wert hinaus verursacht und empfindliche Komponenten wie Mikrocontroller oder Speicher-ICs zerstören kann.

Dies geschieht als Sprungantwort beim Anschließen und Trennen des Steckers. Beim Anschließen (Einschalten) des LC-Resonanztanks wird die doppelte angelegte Spannung erreicht. Wenn Sie es trennen, erhalten Sie möglicherweise auch einen Freilaufimpuls von der Energie, die in die Induktivität fließt. Um die Sache noch schlimmer zu machen, ist das Anschließen oder Trennen eines Steckers niemals ein sauberes Ereignis. Wenn Sie mit einem Oszilloskop genau hinschauen, werden Sie feststellen, dass jede Verbindung oder Trennung aus vielen schnellen Impulsen besteht, die vergleichbar, aber oft weitaus schlechter sind als das sogenannte Aufprallen eines Schalters.

Es gibt eine Reihe von Anwendungshinweisen, die verhindern, dass Schaltkreise diese Art von "Hot Plugging" -Schäden verursachen, z. B. der AN-88 von Linear , dieses Designmerkmal von LTC oder diese Anwendungsnotiz .

Dieser Mechanismus gilt für Stromkabel und Datenkabel.

Außerdem können ungeschützte analoge oder digitale Eingänge Latch-Up-Ereignisse verursachen, wenn sie vor dem Anschließen der Stromkabel angeschlossen werden. Dies kann auch bleibende Schäden verursachen.

Dies erklärt nur, wie Schäden an physischen Komponenten auftreten können. Darüber hinaus muss die Software, die zum Herstellen der Kommunikation über Hot-Plug-fähige Schnittstellen erforderlich ist, Hot-Plug-fähig erkennen und unterstützen können, ohne hängen zu bleiben.

Das Anschließen und Trennen ist ein Problem bei Stromanschlüssen, nicht bei Datenleitungen. Stromversorgungsstifte führen große Ströme und können ohnehin nicht optokoppelt werden.

Der Einschaltstrom wird gesteuert, indem die Kapazität begrenzt wird, die über die Stromleitungen gelegt werden kann. Die USB-Spezifikation sagt nicht mehr als 10 µF zwischen VBUS und GND. Siehe Abschnitt 7.2.4.1 Einschaltstromstoßbegrenzung von der USB - Spezifikation .

Wenn eine Funktion oder ein Hub an das Netzwerk angeschlossen ist, hat sie eine bestimmte Kapazität an Bord zwischen VBUS und Masse. Zusätzlich kann der Regler am Gerät seine Ausgangs-Bypass-Kapazität und die Funktion mit Strom versorgen, sobald Strom angelegt wird. Wenn keine Maßnahmen ergriffen werden, um dies zu verhindern, kann es daher zu einem Stromstoß in das Gerät kommen, der den VBUS an der Nabe unter sein Mindestbetriebsniveau ziehen kann. Einschaltströme können auch auftreten, wenn eine Hochleistungsfunktion in ihren Hochleistungsmodus geschaltet wird. Dieses Problem muss gelöst werden, indem der Einschaltstrom begrenzt wird und in jedem Hub eine ausreichende Kapazität bereitgestellt wird, um zu verhindern, dass die an die anderen Ports gelieferte Energie außerhalb der Toleranz liegt. Eine zusätzliche Motivation zur Begrenzung des Einschaltstroms besteht darin, die Kontaktlichtbögen zu minimieren.

Es gibt auch eine Kapazität von mindestens 1 µF, um die Auswirkungen des Ablösens zu unterdrücken. Das Trennen kann zu einer Spannungsspitze an der Induktivität des Kabels führen, wird jedoch nicht als schädlich angesehen. Siehe 7.2.4.2 Dynamisches Trennen der USB-Spezifikation:

Wenn ein Gerät mit im Strom fließendem Strom vom Netzwerk getrennt wird, führt die Induktivität des Kabels dazu, dass am offenen Ende des Gerätekabels eine große Rücklaufspannung auftritt. Diese Rücklaufspannung ist nicht zerstörerisch. Durch geeignete Bypass-Maßnahmen an den Hub-Ports werden gekoppelte Störungen [von einem USB-Gerät zum anderen] unterdrückt. Der Frequenzbereich dieses Rauschens ist umgekehrt abhängig von der Länge des Kabels und beträgt bei einem 1-Meter-Kabel maximal 60 MHz. Dies erfordert einige Bypass-Kondensatoren mit niedriger Kapazität und sehr geringer Induktivität an jedem Hub-Port-Anschluss. Die Rücklaufspannung und das dadurch entstehende Rauschen werden auch durch die Bypass-Kapazität am Geräteende des Kabels gemildert. Ebenfalls, Am Geräteende des Kabels muss eine Mindestkapazität vorhanden sein, um sicherzustellen, dass der induktive Flyback am offenen Ende des Kabels nicht dazu führt, dass die Spannung am Geräteende die Polarität umkehrt. Für den Bypass über VBUS wird ein Minimum von 1,0 μF empfohlen.

Ich bin mit dem Begriff "Optron-Entkopplung" nicht vertraut, würde aber einige Gründe vorschlagen, die das Anschließen und Trennen von Live-Geräten im Allgemeinen problematisch machen:

1. Einige Geräte können unglücklich sein, wenn bestimmte Kombinationen von Verbindungen hergestellt werden, andere jedoch nicht. Beispielsweise kann ein Gerät mit Strom, Masse und Dateneingang eine erhebliche Strommenge in die Datenleitung einspeisen, wenn Strom und Daten angeschlossen sind, Masse jedoch nicht. Bei einigen Steckverbinderkonstruktionen können solche Kombinationen von Verbindungen auftreten, insbesondere wenn die Verbindung nicht perfekt gerade eingesetzt oder entfernt wird.
2. Viele Geräte verhalten sich beim Einschalten möglicherweise merkwürdig. Wenn das gesamte System auf einmal eingeschaltet wird, kann alles zurückgesetzt werden, bis die Dinge stabil sind. Wenn ein neu angeschlossenes Gerät beim Start für kurze Zeit zufälligen Junk ausgibt, interpretiert der Rest des Systems diesen Junk möglicherweise als echte Daten.
3. Einige Karten haben eine Schaltung, die fast keinen Strom zieht, sobald der VDD auf etwa Volt abfällt. Das Ausschalten des Hauptgeräts mit einer eingesteckten Karte kann die Speicherkappen vollständig entladen (da das Hauptgerät Strom ziehen kann, wenn der VDD auf Volt herunter ist, selbst wenn nichts auf der Steckkarte vorhanden ist). Wenn eine solche Karte vom Stromnetz getrennt und wieder angeschlossen wird, kann es sein, dass der VDD nicht vollständig auf Masse geht und daher beim erneuten Einsetzen möglicherweise nicht richtig neu gestartet wird.

Es ist möglich, Geräte so zu gestalten, dass das Hot-Plugging "normalerweise" sicher ist, und es ist möglich, verschiedene Schutzmaßnahmen hinzuzufügen, um die bedingungslose Sicherheit zu gewährleisten. Wenn jedoch kein spezielles Design für das Hot-Plugging vorhanden ist, sollte man vorsichtig sein.