USB 供电使电路保护成为强制性要求

电路保护就像保险；充其量只是事后的想法，即使落实到位，结果往往也是不够的。但是，虽然保险不足的成本足以威胁到企业的稳定性，但电路保护不足可能会导致更糟糕的情况：人员伤亡。

考虑一下 1998 年 9 月 2 日从纽约肯尼迪国际机场起飞的瑞士航空公司 111 号航班的发人深省的例子。这架飞机是一架机龄七年的麦克唐纳道格拉斯 MD-11，载有 215 名乘客和 14 名机组人员，最近刚刚安装完毕配备升级的机上娱乐 (IFE) 系统。起飞后 52 分钟，机组人员闻到烟味并报告了紧急情况。试图转移到哈利法克斯，飞行员最终失去了对飞机的控制，因为驾驶舱天花板上的火烧毁了电气控制电缆。飞机坠毁在距新斯科舍省海岸8公里处的海域，机上人员全部遇难。

事故调查确定，坠机的主要原因是构成 IFE 一部分的材料（本应是耐火的）着火并且火焰蔓延到关键控制线。虽然尚未确定，但据信火源是在为 IFE 服务的电线之间产生电弧。尽管电线有断路器，但断路器并未设计为响应电弧而跳闸。如今，此类电路受到电弧故障检测设备的保护，电弧故障检测设备会在检测到电弧时跳闸（除了开关翻转等正常操作产生的电弧之外）。电路保护不足导致 229 人死亡。

USB-PD 带来的危害增加

虽然 Swissair MD-11 是由于电气故障而不是电子故障导致故障的，但电子工程师越来越多地设计电压和电流足以产生电弧（以及可能危及生命的火灾）的电路。一个例子是 USB Power Delivery ( USB-PD )；这是 USB 的升级版本，它允许更高的电压和电流，最高可达 20V 和 5A（最大功率为 100W）。USB-PD 的升级比 USB Type-C 的 5V 和 3A (15W) 等显着提升，大大增加了发生危险的可能性。

除了与更高电压和电流相关的风险外，USB-PD 还与 USB Type-C 连接器和电缆一起使用——这两者都会增加发生事故的可能性。这是因为 USB Type-C 连接器的引脚间距仅为 0.5mm，其间距仅为 Type-A 和 Type-B 连接器的五分之一，这增加了连接器在插入或移除过程中轻微扭曲可能导致损坏的风险。导致短路。连接器内部堆积的碎屑可能会产生类似的效果。此外，USB Type-C 的普及见证了大量售后电缆供应的发展——其中许多达不到承载 100W 的要求，而且也没有这样标记。并不是说这样的标记可以保证安全；如果消费者决定使用未指定的电缆，那么它可以像符合标准的电缆一样轻松地插入 USB-PD 插座。

在较高电压和电流下使用 USB-PD 时，电弧并不是唯一的风险。由于主总线电源引脚与连接器中的其他引脚很接近，因此短路很容易使下游电子设备暴露在引发损坏的电涌中——而不仅仅是 20V。例如，一米长的 USB 电缆的电感足以产生“振铃”，从而导致峰值电压远高于（20V）短路电压，有时甚至是其两倍。根据应用的不同，受这些过电压影响的下游设备发生故障可能会危及安全，因为一些最容易受到损坏的是那些通常控制电缆应运行的最大电流和电压的设备。

全面的电路保护

在最高电流和电压额定值下使用 USB-PD 时，存在电弧或组件损坏的风险，因此口头上说电路保护并不能解决问题。在经常使用 USB-PD 最高功率模式的应用中（例如，在为便携式计算机的电池充电时），全面的电路保护是强制性的。

安装在USB Type-C插座引脚和接地之间的瞬态电压抑制（TVS）二极管是电路保护任务的相对简单和廉价的开始。在瞬时短路的情况下，TVS二极管将峰值电压“箝位”到连接部件能够承受的水平。不幸的是，虽然TVS二极管为瞬变提供了一个很好的选择，但它们对持续的过电压事件并不那么好。为了解决这些问题，需要与n沟道MOSFET配对的过压保护装置形状的附加电路。然后，在持续的过电压发作期间，保护装置触发nMOSFET，以断开负载与输入备用下游连接装置的过载。但TVS二极管、保护装置和nMOSFET仍然不能防止所有过电压情况；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，允许电压比保护装置和nMOSFET的反应更快地上升。解决方案在于更多的钳位装置，以保持电压上升足够长的时间，从而使保护装置切入。

全面保护不可避免地会增加 USB-PD 应用的成本和复杂性，但有一些方法可以通过明智地选择组件来控制这两者。制造商现在提供集成器件，将 TVS 二极管、保护和钳位器件集成到单个封装中（nMOSFET 通常保持为分立芯片）。这些单片芯片简化了 USB-PD 保护设计，同时节省了资金和空间。

结论

电路保护永远不会成为电子开发业务的光鲜亮丽的一端。但是，知道适当的保护可以防止材料损坏、伤害甚至死亡，肯定会让开发该解决方案的熟练工程师感到非常满意。

Steven Keeping 在英国布莱顿大学获得工学士（荣誉）学位，之后在 Eurotherm 和 BOC 的电子部门工作了七年。随后，他加入了《Electronic Production》杂志，随后在电子制造、测试和设计方面担任了 13 年的高级编辑和出版职务，其中包括英国和澳大利亚的 Trinity Mirror、CMP 和 RBI 的《电子新动态》和《澳大利亚电子工程》。2006 年，史蒂文成为一名专攻电子领域的自由撰稿人。他常驻悉尼。

审核编辑 黄宇