無線和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的創(chuàng)新正在將常見的非智能設(shè)備轉(zhuǎn)換為智能設(shè)備，以幫助用戶利用物聯(lián)網(wǎng) （IoT）。這種趨勢正在我們的家庭，工作場所和建筑物中發(fā)生。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入家庭，創(chuàng)造了智能家居，其產(chǎn)品具有便利性，安全性，照明控制，娛樂和環(huán)境控制等產(chǎn)品。

為了實(shí)現(xiàn)這些進(jìn)步，傳統(tǒng)的非智能設(shè)備（如調(diào)光器和電源插座）必須是智能的，并且正在被最新的家庭和建筑設(shè)計(jì)廣泛采用。智能電源插座市場正以約25%的復(fù)合年增長率增長1，預(yù)計(jì)到2024年，市場將達(dá)到4500萬臺(tái)/年。智慧調(diào)光器市場預(yù)計(jì)以超過15%的速度增長2預(yù)計(jì)到2024年將達(dá)到1500萬臺(tái)/年。

其他設(shè)備，如接地故障電路滅弧室 （GFCIs）/電弧故障電路滅弧室 （AFCI） 和 USB 插座正變得越來越智能。GFCI / AFCI設(shè)備的市場大致估計(jì)增長率約為5%，而USB市場估計(jì)以10%的速度增長。通過過壓和過流保護(hù)來保護(hù)所有這些設(shè)備對(duì)于長期可靠性和安全性至關(guān)重要。

是什么讓設(shè)備變得智能？

智能設(shè)備具有電子電路，可實(shí)現(xiàn)控制、系統(tǒng)協(xié)調(diào)和狀態(tài)反饋。智能設(shè)備可以通過音頻（語音）、手動(dòng)或電子控制進(jìn)行編程。物聯(lián)網(wǎng)智能設(shè)備可以通過無線通信協(xié)議（如蜂窩、WIFI或藍(lán)牙）進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問和編程。您的個(gè)人計(jì)算機(jī)、平板電腦、智能手機(jī)或虛擬助手可以輕松地與這些智能設(shè)備進(jìn)行通信。

安全性和可靠性設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)人員需要確保這些新的智能設(shè)備安全可靠，因?yàn)橄M(fèi)者期望高可靠性，而不會(huì)有服務(wù)中斷的風(fēng)險(xiǎn)。因此，這些設(shè)備需要過壓保護(hù)和過流保護(hù)，即使在遭受各種環(huán)境危害（如雷擊浪涌、感應(yīng)電涌、靜電放電和電氣快速瞬變）時(shí)也能保持運(yùn)行。本文向設(shè)計(jì)人員介紹要使用的元件類型以及這些元件在電路架構(gòu)中的應(yīng)用位置。

連接到電源線的智能設(shè)備的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

智能插座連接到輸入的交流電源線，需要滿足機(jī)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)和可靠性期望。通常，保險(xiǎn)絲用于過流保護(hù)。如果在定義的時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)超過其額定值的電流，保險(xiǎn)絲將中斷。選擇保險(xiǎn)絲時(shí)，請(qǐng)考慮正常工作電流、應(yīng)用電壓、環(huán)境溫度、過載電流條件、最大故障電流、電阻和機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)。

雷擊會(huì)在電源線上產(chǎn)生感應(yīng)功率浪涌，從而產(chǎn)生過壓瞬變，從而導(dǎo)致故障。為了提供保護(hù)，設(shè)計(jì)人員通常選擇金屬氧化物壓敏電阻（MOV）和/或瞬態(tài)電壓抑制二極管（TVS）。MOV 和 TVS 都設(shè)計(jì)用于吸收瞬態(tài)電流浪涌。TVS二極管在皮秒以下具有更快的響應(yīng)時(shí)間，并且MOV可以根據(jù)所選的特定組件吸收更多能量。正確的組件選擇取決于精確的系統(tǒng)布局和系統(tǒng)中的其他組件。需要考慮工作電壓、鉗位電壓、浪涌要求和元件成本。

主保險(xiǎn)絲參數(shù)：

額定電流

最大工作電壓

中斷額定電流

串聯(lián)電阻

主要移動(dòng)電壓參數(shù)：

吸收的最大瞬態(tài)能量

最大峰值浪涌電流

最大連續(xù)工作電壓

鉗位電壓

工作溫度范圍

主 TVS 二極管參數(shù)：

反向隔離電壓

峰值脈沖功率耗散

擊穿電壓

保護(hù)無線通信微處理器免受靜電放電 （ESD） 的影響

用于智能插座的無線通信電路暴露在外部環(huán)境中，包括人體接觸，并且應(yīng)該主要受到ESD的保護(hù)。選擇最佳抑制技術(shù)取決于威脅級(jí)別、系統(tǒng)架構(gòu)和外形規(guī)格。

ESD抑制元件可保護(hù)無線芯片組和無線接口背后的數(shù)字電路。TVS二極管陣列和聚合物ESD抑制器是兩種解決方案。TVS二極管陣列具有盡可能低的鉗位電壓和最小的封裝尺寸的優(yōu)點(diǎn)。兩款器件均具有低漏電流和低于1 pF的低電容。用于此應(yīng)用的典型 TVS 二極管將承受 +/- 12 kV ESD，符合 IEC 61000-4-2 標(biāo)準(zhǔn)。

TVS二極管陣列和聚合物ESD抑制器均具有較小的占位面積，并占用少量寶貴的印刷電路板空間。最重要的是，根據(jù)所選組件的不同，這些設(shè)備可以承受高達(dá)30 kV的直接接觸和高達(dá)30 kV的空氣傳輸，符合IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)。聚合物ESD器件在納秒內(nèi)響應(yīng)ESD電壓，而TVS二極管在皮秒內(nèi)響應(yīng)。如果尺寸是一個(gè)主要問題，聚合物ESD器件的最大占位面積（焊盤長度）為3 mm，而TVS二極管的最大占位面積為9 mm。

初級(jí)聚合物防靜電參數(shù)

壓差電壓

鉗位電壓

觸發(fā)電壓

電容

漏電流

智能調(diào)光器和智能電源插座的保護(hù)和控制

智能調(diào)光器和智能電源插座都從電源線獲得電力;因此，它們需要電力線保護(hù)。兩款器件還具有無線通信接口，需要ESD保護(hù)。在生產(chǎn)和安裝過程中，還需要ESD保護(hù)來保護(hù)電路免受手動(dòng)控制開關(guān)和其他接觸點(diǎn)的影響。過流保護(hù)、過壓保護(hù)和電源控制的典型選項(xiàng)如圖1所示。

圖 1.推薦用于智能調(diào)光器和智能電源插座的保護(hù)和控制組件。

圖2顯示了智能調(diào)光器的框圖，圖3顯示了智能插座的框圖。推薦的保護(hù)和控制組件選項(xiàng)顯示在框圖旁邊的列表中

智能調(diào)光器和電源插座的電源控制

智能插座采用肖特基整流器對(duì)為直流電路供電的開關(guān)電源進(jìn)行整流。肖特基整流器具有低正向電壓。低正向電壓提高了電源轉(zhuǎn)換效率。此外，肖特基二極管具有快速開關(guān)速度，使開關(guān)電源能夠在高頻下工作，從而進(jìn)一步提高效率。

在調(diào)光器中，可控硅用于控制輸出到光的交流波形的百分比。對(duì)于低負(fù)載電流、光源（如 LED）、TRIAC 的保持電流可低至 6 mA。控制光源的另一種選擇是 MOSFET。MOSFET具有快速的開關(guān)時(shí)間和低導(dǎo)通電阻，可最大限度地降低功率損耗并提高從輸入到輸出的功率傳輸效率。一個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器負(fù)責(zé)控制 MOSFET，并確保 MOSFET 的高效接通和關(guān)斷。

肖特基二極管初級(jí)參數(shù)

正向電壓

正向電流

反向電壓

反向恢復(fù)時(shí)間

主要可控硅參數(shù)

狀態(tài)電流

額定電壓

保持電流

當(dāng)前狀態(tài)下的上升速度

主要場效應(yīng)管參數(shù)

漏源電流

導(dǎo)通電阻

切換時(shí)間

主 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)器參數(shù)

輸入電壓

輸出電流

圖 2.智能調(diào)光器的框圖。為電路模塊推薦的安全和控制元件選項(xiàng)顯示在框圖旁邊的列表中。

圖 3.智能插座框圖顯示需要保護(hù)和控制組件的位置。下表列出了推薦的組件選項(xiàng)。

確保對(duì)全球森林指標(biāo)、亞洲金融互聯(lián)網(wǎng)機(jī)構(gòu)和 USB 插座的保護(hù)和控制

家庭的原始智能設(shè)備是GFCI和AFCI。當(dāng)在熱線上傳遞的負(fù)載電流沒有在中性線上返回時(shí)，GFCI會(huì)感應(yīng)。如果電流不平衡超過預(yù)定的跳閘水平，GFCI將從插座上斷開電源，以防止觸電危險(xiǎn)。AFCI檢測電弧狀況并從插座上斷開電源以防止火災(zāi)。

帶USB充電的電源插座在住宅和公共場所變得越來越普遍。這些插座可能具有 USB 充電功能，并結(jié)合了歷史電源插座或單個(gè)設(shè)備中的多個(gè) USB 充電器。GFCI、自動(dòng)對(duì)沖和 USB 充電器需要瞬變保護(hù)。圖4顯示了GFCI、AFCI和USB充電插座所需的推薦保護(hù)和控制元件。

圖 4.推薦用于 GFCI、AFCI 和 USB 充電插座的保護(hù)和控制組件。

GFCI 和 AFCI 的框圖如圖 5 所示。智能調(diào)光器和智能插座的保護(hù)組件類似。推薦的功率控制元件是 SCR。當(dāng)檢測到電流不平衡時(shí)，SCR 會(huì)激活繼電器，該繼電器將交流主輸入電源斷開至輸出。此外，SCR 還提供多種通孔和表面貼裝封裝。它們還將具有高達(dá)2500 Vrms的隔離電壓。

主要可控硅參數(shù)

狀態(tài)電流

阻斷電壓

向前下降

柵極電流觸發(fā)電平

圖 5.全球金融行動(dòng)委員會(huì)或武裝部隊(duì)的方框圖。下表列出了建議的保護(hù)和控制組件選項(xiàng)。

圖 6.USB 插座的框圖。推薦的保護(hù)和控制組件選項(xiàng)顯示在相鄰列表中。

通過了解適用的行業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)節(jié)省開發(fā)時(shí)間

這些智能設(shè)備需要滿足UL標(biāo)準(zhǔn)或IEC標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)樗鼈兌际褂镁€路電源供電。適用的特定標(biāo)準(zhǔn)取決于將使用設(shè)備的全局位置。如果認(rèn)證機(jī)構(gòu)未能批準(zhǔn)您的產(chǎn)品，則缺少標(biāo)準(zhǔn)要求可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間延長并增加項(xiàng)目成本。表1包含適用于這些類型產(chǎn)品的國家和國際標(biāo)準(zhǔn)列表。

表 1.適用的國家和國際標(biāo)準(zhǔn)和合規(guī)性列表

審核編輯：郭婷