【導(dǎo)讀】電路保護(hù)就像是保險(xiǎn),充其量可以看作是事后補(bǔ)救措施,即使是安裝到位,也往往是不夠的。雖然保險(xiǎn)投資不足會(huì)威脅到企業(yè)的穩(wěn)定運(yùn)營(yíng),但電路保護(hù)不到位可能導(dǎo)致人員傷亡等更嚴(yán)重的后果。
我們以1998年9月2日從紐約肯尼迪國(guó)際機(jī)場(chǎng)起飛的瑞士航空111航班為例來(lái)看下電路保護(hù)的重要性。執(zhí)飛此航班的是機(jī)齡已有7年的麥克唐納·道格拉斯MD-11客機(jī),在執(zhí)飛此次航班前不久升級(jí)了飛行娛樂(lè)(IFE)系統(tǒng)。起飛52分鐘后,駕駛艙突然冒出濃煙,機(jī)組人員隨即作出反應(yīng)宣布進(jìn)入緊急狀態(tài),并試圖備降到哈利法克斯機(jī)場(chǎng),但由于駕駛艙天花板著火燒毀了電氣控制電纜導(dǎo)致飛機(jī)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(jī)組人員全部遇難。
事故調(diào)查發(fā)現(xiàn),這套新IFE某個(gè)部分使用的材料是引發(fā)此次墜機(jī)的主要原因,這些本應(yīng)防火的材料卻燃燒了起來(lái),并蔓延至關(guān)鍵控制線路。雖然無(wú)法完全斷定,但據(jù)推斷IFE電線間的電弧是引起這場(chǎng)大火的罪魁禍?zhǔn)?。盡管這些電線都裝有斷路器,但斷路器不會(huì)因?yàn)槌霈F(xiàn)電弧而跳閘。這就是一起因電路保護(hù)不足導(dǎo)致229人死亡的真實(shí)案例。現(xiàn)在,這類(lèi)電路都配備了電弧故障檢測(cè)保護(hù)裝置,以便在感應(yīng)到電弧時(shí)跳閘(不包括按下開(kāi)關(guān)等正常操作所產(chǎn)生的電?。?。
USB-PD帶來(lái)更多危險(xiǎn)
雖然瑞士航空MD-11是由電氣故障而不是電子故障導(dǎo)致的,但現(xiàn)在越來(lái)越多的電路中都存在足以產(chǎn)生電?。ㄒ约翱赡芪<吧幕馂?zāi))的電壓和電流,比如升級(jí)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(jí)是一大進(jìn)步,但也大大增加了發(fā)生危險(xiǎn)的可能性。
除了與高電壓和電流相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)外,USB-PD在與USB Type-C連接器和電纜一起使用時(shí),也會(huì)發(fā)生其他問(wèn)題。這是因?yàn)閁SB 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(dǎo)致短路的風(fēng)險(xiǎn)。在連接器內(nèi)部堆積的雜質(zhì)也可能產(chǎn)生類(lèi)似的效果。此外,USB Type-C的普及也帶動(dòng)了電纜的大幅發(fā)展,雖然有許多電纜還無(wú)法承載100W的功率,但卻沒(méi)有標(biāo)識(shí)出來(lái)。然而這些標(biāo)識(shí)并不能確保安全;如果消費(fèi)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U(xiǎn)SB-PD插座中。
在較高電壓和電流下使用USB-PD時(shí),電弧并不是唯一的危險(xiǎn)。由于主母線電源引腳與連接器的其他引腳非常近,短路會(huì)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(zhǎng)的USB電纜的電感可以產(chǎn)生“振蕩”,導(dǎo)致峰值電壓遠(yuǎn)高于20V短路電壓(有時(shí)甚至是兩倍)。對(duì)于某些應(yīng)用來(lái)說(shuō),受到過(guò)壓影響的下游設(shè)備故障可能會(huì)帶來(lái)安全問(wèn)題,因?yàn)槟切┩ǔS糜诳刂齐娎|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(hù)
當(dāng)USB-PD以最高額定電流和電壓運(yùn)行時(shí),可能會(huì)產(chǎn)生電弧或損壞元器件,因此,也不能說(shuō)保護(hù)電路完全沒(méi)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(jì)算機(jī)電池充電時(shí),必須提供全面的電路保護(hù)。
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(duì)簡(jiǎn)單廉價(jià)的電路保護(hù)。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(jí)別。雖然TVS二極管能夠提供很好的瞬態(tài)保護(hù),但在用于持續(xù)過(guò)電壓事件時(shí)效果卻不是很理想。為了解決這些問(wèn)題,需要一個(gè)與N溝道MOSFET配對(duì)的類(lèi)似于過(guò)電壓保護(hù)的附加電路。在持續(xù)的過(guò)電壓事件期間,保護(hù)裝置會(huì)觸發(fā)nMOSFET以斷開(kāi)負(fù)載與輸入的連接,從而避免連接的下游裝置發(fā)生過(guò)載。但是TVS二極管、保護(hù)裝置和nMOSFET仍然不能抵御所有的過(guò)電壓情況;偶爾會(huì)發(fā)生繞過(guò)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(hù)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(zhǎng)電壓上升時(shí)間,讓保護(hù)裝置有足夠的時(shí)間切斷。
綜合保護(hù)無(wú)形中增加了USB-PD應(yīng)用的成本和復(fù)雜性,但可以通過(guò)選擇合適的組件避免出現(xiàn)這種情況。制造商現(xiàn)開(kāi)始提供集成式設(shè)備,將TVS二極管、保護(hù)和鉗位設(shè)備集成到單個(gè)封裝中(nMOSFET通常保持為分立芯片),能夠在簡(jiǎn)化USB-PD保護(hù)設(shè)計(jì)的同時(shí),節(jié)省資金和空間。
結(jié)論
電路保護(hù)永遠(yuǎn)不會(huì)是電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的末端。但解決方案開(kāi)發(fā)工程師需要具備一定的知識(shí),才能采取適當(dāng)?shù)谋Wo(hù)措施防止材料損壞,并避免人員受到傷害甚至死亡。
作者簡(jiǎn)介
Steven Keeping獲得了英國(guó)布萊頓大學(xué)(榮譽(yù))工學(xué)學(xué)士學(xué)位,之前他在Eurotherm和BOC公司工作長(zhǎng)達(dá)七年,之后他加入“電子產(chǎn)品雜志”任職,開(kāi)始了長(zhǎng)達(dá)13年的高級(jí)編輯和出版工作,涉及到電子生產(chǎn)、測(cè)試以及設(shè)計(jì)等,為英國(guó)和澳大利亞的Trinity Mirror、CMP和RBI等公司發(fā)表過(guò)文章,發(fā)表過(guò)的文章有“電子學(xué)新發(fā)現(xiàn)”、“澳大利亞電子工程學(xué)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(hào)
微信號(hào):mouserelectronics
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