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(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)計為響應(yīng)電弧而跳閘。如今，此類電路受到電弧故障檢測設(shè)備的保護，電弧故障檢測設(shè)備會在檢測到電弧時跳閘（除了開關(guān)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(shè)計電壓和電流足以產(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(guān)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(yīng)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(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(yīng)用的不同，受這些過電壓影響的下游設(shè)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(yīng)運行的最大電流和電壓的設(shè)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(yīng)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(wù)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(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(yīng)用的成本和復(fù)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(shè)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(wù)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(shè)計方面擔任了 13 年的高級編輯和出版職務(wù)，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(lǐng)域的自由撰稿人。他常駐悉尼。

審核編輯黃宇