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，這些本應防火的材料卻燃燒了起來，并蔓延至關鍵控制線路。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，以便在感應到電弧時跳閘（不包括按下開關等正常操作所產(chǎn)生的電?。?。

 

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?。ㄒ约翱赡芪＜吧幕馂模┑碾妷汉碗娏?，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）。對于某些應用來說，受到過壓影響的下游設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)開始提供集成式設備，將TVS二極管、保護和鉗位設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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