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

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

事故調(diào)查確定，墜機的主要原因是構(gòu)成 IFE 一部分的材料（本應是耐火的）著火并且火焰蔓延到關鍵控制線。雖然尚未確定，但據(jù)信火源是在為 IFE 服務的電線之間產(chǎn)生電弧。盡管電線有斷路器，但斷路器并未設計為響應電弧而跳閘。如今，此類電路受到電弧故障檢測設備的保護，電弧故障檢測設備會在檢測到電弧時跳閘（除了開關翻轉(zhuǎn)等正常操作產(chǎn)生的電弧之外）。電路保護不足導致 229 人死亡。

USB-PD 帶來的危害增加

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

除了與更高電壓和電流相關的風險外，USB-PD 還與 USB Type-C 連接器和電纜一起使用——這兩者都會增加發(fā)生事故的可能性。這是因為 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程中輕微扭曲可能導致?lián)p壞的風險。導致短路。連接器內(nèi)部堆積的碎屑可能會產(chǎn)生類似的效果。此外，USB Type-C 的普及見證了大量售后電纜供應的發(fā)展——其中許多達不到承載 100W 的要求，而且也沒有這樣標記。并不是說這樣的標記可以保證安全；如果消費者決定使用未指定的電纜，那么它可以像符合標準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，電弧并不是唯一的風險。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備暴露在引發(fā)損壞的電涌中——而不僅僅是 20V。例如，一米長的 USB 電纜的電感足以產(chǎn)生“振鈴”，從而導致峰值電壓遠高于（20V）短路電壓，有時甚至是其兩倍。根據(jù)應用的不同，受這些過電壓影響的下游設備發(fā)生故障可能會危及安全，因為一些最容易受到損壞的是那些通常控制電纜應運行的最大電流和電壓的設備。

全面的電路保護

在最高電流和電壓額定值下使用 USB-PD 時，存在電弧或組件損壞的風險，因此口頭上說電路保護并不能解決問題。在經(jīng)常使用 USB-PD 最高功率模式的應用中（例如，在為便攜式計算機的電池充電時），全面的電路保護是強制性的。

安裝在USB Type-C插座引腳和接地之間的瞬態(tài)電壓抑制（TVS）二極管是電路保護任務的相對簡單和廉價的開始。在瞬時短路的情況下，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很好的選擇，但它們對持續(xù)的過電壓事件并不那么好。為了解決這些問題，需要與n溝道MOSFET配對的過壓保護裝置形狀的附加電路。然后，在持續(xù)的過電壓發(fā)作期間，保護裝置觸發(fā)nMOSFET，以斷開負載與輸入備用下游連接裝置的過載。但TVS二極管、保護裝置和nMOSFET仍然不能防止所有過電壓情況；偶爾會發(fā)生繞過USB電纜的短路事件。在這種情況下，插座電感非常低，允許電壓比保護裝置和nMOSFET的反應更快地上升。解決方案在于更多的鉗位裝置，以保持電壓上升足夠長的時間，從而使保護裝置切入。

全面保護不可避免地會增加 USB-PD 應用的成本和復雜性，但有一些方法可以通過明智地選擇組件來控制這兩者。制造商現(xiàn)在提供集成器件，將 TVS 二極管、保護和鉗位器件集成到單個封裝中（nMOSFET 通常保持為分立芯片）。這些單片芯片簡化了 USB-PD 保護設計，同時節(jié)省了資金和空間。

結(jié)論

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

Steven Keeping 在英國布萊頓大學獲得工學士（榮譽）學位，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、測試和設計方面擔任了 13 年的高級編輯和出版職務，其中包括英國和澳大利亞的 Trinity Mirror、CMP 和 RBI 的《電子新動態(tài)》和《澳大利亞電子工程》。2006 年，史蒂文成為一名專攻電子領域的自由撰稿人。他常駐悉尼。

審核編輯黃宇