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?，F(xiàn)在，這類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)生的電弧）。

 

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)

 

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