我們以1998年9月2日從紐約肯尼迪國際機場起飛的瑞士航空111航班為例來看下電路保護的重要性。執(zhí)飛此航班的是機齡已有7年的麥克唐納·道格拉斯MD-11客機，在執(zhí)飛此次航班前不久升級了飛行娛樂（IFE）系統(tǒng)。起飛52分鐘后，駕駛艙突然冒出濃煙，機組人員隨即作出反應(yīng)宣布進入緊急狀態(tài)，并試圖備降到哈利法克斯機場，但由于駕駛艙天花板著火燒毀了電氣控制電纜導致飛機失控，在距離新斯科舍省海岸8公里的海域墜毀，215名乘客和14名機組人員全部遇難。

 

事故調(diào)查發(fā)現(xiàn)，這套新IFE某個部分使用的材料是引發(fā)此次墜機的主要原因，這些本應(yīng)防火的材料卻燃燒了起來，并蔓延至關(guān)鍵控制線路。雖然無法完全斷定，但據(jù)推斷IFE電線間的電弧是引起這場大火的罪魁禍首。盡管這些電線都裝有斷路器，但斷路器不會因為出現(xiàn)電弧而跳閘。這就是一起因電路保護不足導致229人死亡的真實案例?，F(xiàn)在，這類電路都配備了電弧故障檢測保護裝置，以便在感應(yīng)到電弧時跳閘（不包括按下開關(guān)等正常操作所產(chǎn)生的電弧）。

 

USB-PD帶來更多危險

 

雖然瑞士航空MD-11是由電氣故障而不是電子故障導致的，但現(xiàn)在越來越多的電路中都存在足以產(chǎn)生電弧（以及可能危及生命的火災(zāi)）的電壓和電流，比如升級版的USB電源供電（USB-PD），它可以支持最高20V和5A（最大功率為100W）的高電壓和電流。相較于USB Type-C的5V電壓和3A電流（15W），USB-PD的升級是一大進步，但也大大增加了發(fā)生危險的可能性。

 

除了與高電壓和電流相關(guān)的風險外，USB-PD在與USB Type-C連接器和電纜一起使用時，也會發(fā)生其他問題。這是因為USB Type-C連接器的引腳間距只有0.5mm，是Type-A和Type-B連接器的五分之一，因此增加了插入或移除期間連接器輕微扭曲導致短路的風險。在連接器內(nèi)部堆積的雜質(zhì)也可能產(chǎn)生類似的效果。此外，USB Type-C的普及也帶動了電纜的大幅發(fā)展，雖然有許多電纜還無法承載100W的功率，但卻沒有標識出來。然而這些標識并不能確保安全；如果消費者要使用未經(jīng)指定的電纜，也可以像合格的電纜一樣輕松地插入USB-PD插座中。

 

在較高電壓和電流下使用USB-PD時，電弧并不是唯一的危險。由于主母線電源引腳與連接器的其他引腳非常近，短路會讓下游電子器件輕松暴露于20V短路電壓等可以引起故障的電涌中。例如，一米長的USB電纜的電感可以產(chǎn)生“振蕩”，導致峰值電壓遠高于20V短路電壓（有時甚至是兩倍）。對于某些應(yīng)用來說，受到過壓影響的下游設(shè)備故障可能會帶來安全問題，因為那些通常用于控制電纜最大工作電流和電壓的設(shè)備最容易受到損壞。

 

全面的電路保護

 

當USB-PD以最高額定電流和電壓運行時，可能會產(chǎn)生電弧或損壞元器件，因此，也不能說保護電路完全沒有用。在經(jīng)常使用USB-PD最高功率模式的應(yīng)用中，例如在為便攜式計算機電池充電時，必須提供全面的電路保護。

 

安裝在USB Type-C插座引腳和接地之間的瞬態(tài)電壓抑制（TVS）二極管是相對簡單廉價的電路保護。在瞬態(tài)短路的情況下，TVS二極管將峰值電壓“鉗位”到連接部件可以承受的級別。雖然TVS二極管能夠提供很好的瞬態(tài)保護，但在用于持續(xù)過電壓事件時效果卻不是很理想。為了解決這些問題，需要一個與N溝道MOSFET配對的類似于過電壓保護的附加電路。在持續(xù)的過電壓事件期間，保護裝置會觸發(fā)nMOSFET以斷開負載與輸入的連接，從而避免連接的下游裝置發(fā)生過載。但是TVS二極管、保護裝置和nMOSFET仍然不能抵御所有的過電壓情況；偶爾會發(fā)生繞過USB電纜的短路事件。在這種情況下，插座電感非常低，使得電壓上升的速度快于保護裝置和nMOSFET的反應(yīng)速度，因此可以使用更多的鉗位裝置，延長電壓上升時間，讓保護裝置有足夠的時間切斷。

 

綜合保護無形中增加了USB-PD應(yīng)用的成本和復雜性，但可以通過選擇合適的組件避免出現(xiàn)這種情況。制造商現(xiàn)開始提供集成式設(shè)備，將TVS二極管、保護和鉗位設(shè)備集成到單個封裝中（nMOSFET通常保持為分立芯片），能夠在簡化USB-PD保護設(shè)計的同時，節(jié)省資金和空間。

 

結(jié)論

 

電路保護永遠不會是電子產(chǎn)品開發(fā)的末端。但解決方案開發(fā)工程師需要具備一定的知識，才能采取適當?shù)谋Ｗo措施防止材料損壞，并避免人員受到傷害甚至死亡。

 

作者簡介

 

Steven Keeping獲得了英國布萊頓大學（榮譽）工學學士學位，之前他在Eurotherm和BOC公司工作長達七年，之后他加入“電子產(chǎn)品雜志”任職，開始了長達13年的高級編輯和出版工作，涉及到電子生產(chǎn)、測試以及設(shè)計等，為英國和澳大利亞的Trinity Mirror、CMP和RBI等公司發(fā)表過文章，發(fā)表過的文章有“電子學新發(fā)現(xiàn)”、“澳大利亞電子工程學發(fā)展”等。在2006年Steven Keeping成為了一名電子方面的自由記者，目前他定居在澳大利亞悉尼。

 

出處：貿(mào)澤電子公眾號

 

微信號：mouserelectronics

 

 

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