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。
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