USB 供電使電路保護(hù)成為強(qiáng)制性要求

電路保護(hù)就像保險(xiǎn)；充其量只是事后的想法，即使落實(shí)到位，結(jié)果往往也是不夠的。但是，雖然保險(xiǎn)不足的成本足以威脅到企業(yè)的穩(wěn)定性，但電路保護(hù)不足可能會(huì)導(dǎo)致更糟糕的情況：人員傷亡。

考慮一下 1998 年 9 月 2 日從紐約肯尼迪國(guó)際機(jī)場(chǎng)起飛的瑞士航空公司 111 號(hào)航班的發(fā)人深省的例子。這架飛機(jī)是一架機(jī)齡七年的麥克唐納道格拉斯 MD-11，載有 215 名乘客和 14 名機(jī)組人員，最近剛剛安裝完畢配備升級(jí)的機(jī)上娛樂(lè) (IFE) 系統(tǒng)。起飛后 52 分鐘，機(jī)組人員聞到煙味并報(bào)告了緊急情況。試圖轉(zhuǎn)移到哈利法克斯，飛行員最終失去了對(duì)飛機(jī)的控制，因?yàn)轳{駛艙天花板上的火燒毀了電氣控制電纜。飛機(jī)墜毀在距新斯科舍省海岸8公里處的海域，機(jī)上人員全部遇難。

事故調(diào)查確定，墜機(jī)的主要原因是構(gòu)成 IFE 一部分的材料（本應(yīng)是耐火的）著火并且火焰蔓延到關(guān)鍵控制線。雖然尚未確定，但據(jù)信火源是在為 IFE 服務(wù)的電線之間產(chǎn)生電弧。盡管電線有斷路器，但斷路器并未設(shè)計(jì)為響應(yīng)電弧而跳閘。如今，此類電路受到電弧故障檢測(cè)設(shè)備的保護(hù)，電弧故障檢測(cè)設(shè)備會(huì)在檢測(cè)到電弧時(shí)跳閘（除了開(kāi)關(guān)翻轉(zhuǎn)等正常操作產(chǎn)生的電弧之外）。電路保護(hù)不足導(dǎo)致 229 人死亡。

USB-PD 帶來(lái)的危害增加

雖然 Swissair MD-11 是由于電氣故障而不是電子故障導(dǎo)致故障的，但電子工程師越來(lái)越多地設(shè)計(jì)電壓和電流足以產(chǎn)生電弧（以及可能危及生命的火災(zāi)）的電路。一個(gè)例子是 USB Power Delivery ( USB-PD )；這是 USB 的升級(jí)版本，它允許更高的電壓和電流，最高可達(dá) 20V 和 5A（最大功率為 100W）。USB-PD 的升級(jí)比 USB Type-C 的 5V 和 3A (15W) 等顯著提升，大大增加了發(fā)生危險(xiǎn)的可能性。

除了與更高電壓和電流相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)外，USB-PD 還與 USB Type-C 連接器和電纜一起使用——這兩者都會(huì)增加發(fā)生事故的可能性。這是因?yàn)?USB Type-C 連接器的引腳間距僅為 0.5mm，其間距僅為 Type-A 和 Type-B 連接器的五分之一，這增加了連接器在插入或移除過(guò)程中輕微扭曲可能導(dǎo)致?lián)p壞的風(fēng)險(xiǎn)。導(dǎo)致短路。連接器內(nèi)部堆積的碎屑可能會(huì)產(chǎn)生類似的效果。此外，USB Type-C 的普及見(jiàn)證了大量售后電纜供應(yīng)的發(fā)展——其中許多達(dá)不到承載 100W 的要求，而且也沒(méi)有這樣標(biāo)記。并不是說(shuō)這樣的標(biāo)記可以保證安全；如果消費(fèi)者決定使用未指定的電纜，那么它可以像符合標(biāo)準(zhǔn)的電纜一樣輕松地插入 USB-PD 插座。

在較高電壓和電流下使用 USB-PD 時(shí)，電弧并不是唯一的風(fēng)險(xiǎn)。由于主總線電源引腳與連接器中的其他引腳很接近，因此短路很容易使下游電子設(shè)備暴露在引發(fā)損壞的電涌中——而不僅僅是 20V。例如，一米長(zhǎng)的 USB 電纜的電感足以產(chǎn)生“振鈴”，從而導(dǎo)致峰值電壓遠(yuǎn)高于（20V）短路電壓，有時(shí)甚至是其兩倍。根據(jù)應(yīng)用的不同，受這些過(guò)電壓影響的下游設(shè)備發(fā)生故障可能會(huì)危及安全，因?yàn)橐恍┳钊菀资艿綋p壞的是那些通常控制電纜應(yīng)運(yùn)行的最大電流和電壓的設(shè)備。

全面的電路保護(hù)

在最高電流和電壓額定值下使用 USB-PD 時(shí)，存在電弧或組件損壞的風(fēng)險(xiǎn)，因此口頭上說(shuō)電路保護(hù)并不能解決問(wèn)題。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)的電池充電時(shí)），全面的電路保護(hù)是強(qiáng)制性的。

安裝在USB Type-C插座引腳和接地之間的瞬態(tài)電壓抑制（TVS）二極管是電路保護(hù)任務(wù)的相對(duì)簡(jiǎn)單和廉價(jià)的開(kāi)始。在瞬時(shí)短路的情況下，TVS二極管將峰值電壓“箝位”到連接部件能夠承受的水平。不幸的是，雖然TVS二極管為瞬變提供了一個(gè)很好的選擇，但它們對(duì)持續(xù)的過(guò)電壓事件并不那么好。為了解決這些問(wèn)題，需要與n溝道MOSFET配對(duì)的過(guò)壓保護(hù)裝置形狀的附加電路。然后，在持續(xù)的過(guò)電壓發(fā)作期間，保護(hù)裝置觸發(fā)nMOSFET，以斷開(kāi)負(fù)載與輸入備用下游連接裝置的過(guò)載。但TVS二極管、保護(hù)裝置和nMOSFET仍然不能防止所有過(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，允許電壓比保護(hù)裝置和nMOSFET的反應(yīng)更快地上升。解決方案在于更多的鉗位裝置，以保持電壓上升足夠長(zhǎng)的時(shí)間，從而使保護(hù)裝置切入。

全面保護(hù)不可避免地會(huì)增加 USB-PD 應(yīng)用的成本和復(fù)雜性，但有一些方法可以通過(guò)明智地選擇組件來(lái)控制這兩者。制造商現(xiàn)在提供集成器件，將 TVS 二極管、保護(hù)和鉗位器件集成到單個(gè)封裝中（nMOSFET 通常保持為分立芯片）。這些單片芯片簡(jiǎn)化了 USB-PD 保護(hù)設(shè)計(jì)，同時(shí)節(jié)省了資金和空間。

結(jié)論

電路保護(hù)永遠(yuǎn)不會(huì)成為電子開(kāi)發(fā)業(yè)務(wù)的光鮮亮麗的一端。但是，知道適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)可以防止材料損壞、傷害甚至死亡，肯定會(huì)讓開(kāi)發(fā)該解決方案的熟練工程師感到非常滿意。

Steven Keeping 在英國(guó)布萊頓大學(xué)獲得工學(xué)士（榮譽(yù)）學(xué)位，之后在 Eurotherm 和 BOC 的電子部門工作了七年。隨后，他加入了《Electronic Production》雜志，隨后在電子制造、測(cè)試和設(shè)計(jì)方面擔(dān)任了 13 年的高級(jí)編輯和出版職務(wù)，其中包括英國(guó)和澳大利亞的 Trinity Mirror、CMP 和 RBI 的《電子新動(dòng)態(tài)》和《澳大利亞電子工程》。2006 年，史蒂文成為一名專攻電子領(lǐng)域的自由撰稿人。他常駐悉尼。

審核編輯黃宇