原创深度:​USB供电让电路保护成了强制性配置

作者:Steven Keeping

电路保护就像是保险,充其量可以看作是事后补救措施,即使是安装到位,也往往是不够的。虽然保险投资不足会威胁到企业的稳定运营,但电路保护不到位可能导致人员伤亡等更严重的后果。

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我们以1998年9月2日从纽约肯尼迪国际机场起飞的瑞士航空111航班为例来看下电路保护的重要性。执飞此航班的是机龄已有7年的麦克唐纳·道格拉斯MD-11客机,在执飞此次航班前不久升级了飞行娱乐(IFE)系统。起飞52分钟后,驾驶舱突然冒出浓烟,机组人员随即作出反应宣布进入紧急状态,并试图备降到哈利法克斯机场,但由于驾驶舱天花板着火烧毁了电气控制电缆导致飞机失控,在距离新斯科舍省海岸8公里的海域坠毁,215名乘客和14名机组人员全部遇难。

事故调查发现,这套新IFE某个部分使用的材料是引发此次坠机的主要原因,这些本应防火的材料却燃烧了起来,并蔓延至关键控制线路。虽然无法完全断定,但据推断IFE电线间的电弧是引起这场大火的罪魁祸首。尽管这些电线都装有断路器,但断路器不会因为出现电弧而跳闸。这就是一起因电路保护不足导致229人死亡的真实案例。现在,这类电路都配备了电弧故障检测保护装置,以便在感应到电弧时跳闸(不包括按下开关等正常操作所产生的电弧)。

USB-PD带来更多危险

虽然瑞士航空MD-11是由电气故障而不是电子故障导致的,但现在越来越多的电路中都存在足以产生电弧(以及可能危及生命的火灾)的电压和电流,比如升级版的USB电源供电(USB-PD),它可以支持最高20V和5A(最大功率为100W)的高电压和电流。相较于USB Type-C的5V电压和3A电流(15W),USB-PD的升级是一大进步,但也大大增加了发生危险的可能性。

除了与高电压和电流相关的风险外,USB-PD在与USB Type-C连接器和电缆一起使用时,也会发生其他问题。这是因为USB Type-C连接器的引脚间距只有0.5mm,是Type-A和Type-B连接器的五分之一,因此增加了插入或移除期间连接器轻微扭曲导致短路的风险。在连接器内部堆积的杂质也可能产生类似的效果。此外,USB Type-C的普及也带动了电缆的大幅发展,虽然有许多电缆还无法承载100W的功率,但却没有标识出来。然而这些标识并不能确保安全;如果消费者要使用未经指定的电缆,也可以像合格的电缆一样轻松地插入USB-PD插座中。

在较高电压和电流下使用USB-PD时,电弧并不是唯一的危险。由于主母线电源引脚与连接器的其他引脚非常近,短路会让下游电子器件轻松暴露于20V短路电压等可以引起故障的电涌中。例如,一米长的USB电缆的电感可以产生“振荡”,导致峰值电压远高于20V短路电压(有时甚至是两倍)。对于某些应用来说,受到过压影响的下游设备故障可能会带来安全问题,因为那些通常用于控制电缆最大工作电流和电压的设备最容易受到损坏。

全面的电路保护

当USB-PD以最高额定电流和电压运行时,可能会产生电弧或损坏元器件,因此,也不能说保护电路完全没有用。在经常使用USB-PD最高功率模式的应用中,例如在为便携式计算机电池充电时,必须提供全面的电路保护。

安装在USB Type-C插座引脚和接地之间的瞬态电压抑制(TVS)二极管是相对简单廉价的电路保护。在瞬态短路的情况下,TVS二极管将峰值电压“钳位”到连接部件可以承受的级别。虽然TVS二极管能够提供很好的瞬态保护,但在用于持续过电压事件时效果却不是很理想。为了解决这些问题,需要一个与N沟道MOSFET配对的类似于过电压保护的附加电路。在持续的过电压事件期间,保护装置会触发nMOSFET以断开负载与输入的连接,从而避免连接的下游装置发生过载。但是TVS二极管、保护装置和nMOSFET仍然不能抵御所有的过电压情况;偶尔会发生绕过USB电缆的短路事件。在这种情况下,插座电感非常低,使得电压上升的速度快于保护装置和nMOSFET的反应速度,因此可以使用更多的钳位装置,延长电压上升时间,让保护装置有足够的时间切断。

综合保护无形中增加了USB-PD应用的成本和复杂性,但可以通过选择合适的组件避免出现这种情况。制造商现开始提供集成式设备,将TVS二极管、保护和钳位设备集成到单个封装中(nMOSFET通常保持为分立芯片),能够在简化USB-PD保护设计的同时,节省资金和空间。

结论

电路保护永远不会是电子产品开发的末端。但解决方案开发工程师需要具备一定的知识,才能采取适当的保护措施防止材料损坏,并避免人员受到伤害甚至死亡。

作者简介

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Steven Keeping获得了英国布莱顿大学(荣誉)工学学士学位,之前他在Eurotherm和BOC公司工作长达七年,之后他加入“电子产品杂志”任职,开始了长达13年的高级编辑和出版工作,涉及到电子生产、测试以及设计等,为英国和澳大利亚的Trinity Mirror、CMP和RBI等公司发表过文章,发表过的文章有“电子学新发现”、“澳大利亚电子工程学发展”等。在2006年Steven Keeping成为了一名电子方面的自由记者,目前他定居在澳大利亚悉尼。

原文链接:
https://www.mouser.cn/blog/blog/usb-power-delivery-makes-circuit-protection-mandator

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