我們以1998年9月2日從紐約肯尼迪國際機場(chǎng)起飛的瑞士航空111航班為例來(lái)看下電路保護的重要性。執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，在執飛此次航班前不久升級了飛行娛樂(lè )（IFE）系統。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(jìn)入緊急狀態(tài)，并試圖備降到哈利法克斯機場(chǎng)，但由于駕駛艙天花板著(zhù)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。

 

事故調查發(fā)現，這套新IFE某個(gè)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(lái)，并蔓延至關(guān)鍵控制線(xiàn)路。雖然無(wú)法完全斷定，但據推斷IFE電線(xiàn)間的電弧是引起這場(chǎng)大火的罪魁禍首。盡管這些電線(xiàn)都裝有斷路器，但斷路器不會(huì )因為出現電弧而跳閘。這就是一起因電路保護不足導致229人死亡的真實(shí)案例?，F在，這類(lèi)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(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

 

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(jìn)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(fēng)險外，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(fēng)險。在連接器內部堆積的雜質(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)有標識出來(lái)。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(shí)，電弧并不是唯一的危險。由于主母線(xiàn)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(cháng)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(shí)甚至是兩倍）。對于某些應用來(lái)說(shuō)，受到過(guò)壓影響的下游設備故障可能會(huì )帶來(lái)安全問(wèn)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(shí)，可能會(huì )產(chǎn)生電弧或損壞元器件，因此，也不能說(shuō)保護電路完全沒(méi)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(shí)，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(jiǎn)單廉價(jià)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配對的類(lèi)似于過(guò)電壓保護的附加電路。在持續的過(guò)電壓事件期間，保護裝置會(huì )觸發(fā)nMOSFET以斷開(kāi)負載與輸入的連接，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裝置和nMOSFET的反應速度，因此可以使用更多的鉗位裝置，延長(cháng)電壓上升時(shí)間，讓保護裝置有足夠的時(shí)間切斷。

 

綜合保護無(wú)形中增加了USB-PD應用的成本和復雜性，但可以通過(guò)選擇合適的組件避免出現這種情況。制造商現開(kāi)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(gè)封裝中（nMOSFET通常保持為分立芯片），能夠在簡(jiǎn)化USB-PD保護設計的同時(shí)，節省資金和空間。

 

結論

 

電路保護永遠不會(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，才能采取適當的保護措施防止材料損壞，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(cháng)達七年，之后他加入“電子產(chǎn)品雜志”任職，開(kāi)始了長(cháng)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(guò)文章，發(fā)表過(guò)的文章有“電子學(xué)新發(fā)現”、“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：貿澤電子公眾號

 

微信號：mouserelectronics

 

 

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