無線和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的創(chuàng)新正在將普通的非智能設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄茉O(shè)備，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)已進入家庭，通過便利性、安全性、照明控制、娛樂和環(huán)境控制產(chǎn)品創(chuàng)造智能家居。

為了實現(xiàn)這些進步，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，并且正在最新的家庭和建筑設(shè)計中得到廣泛采用。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)計到2024年市場將達到4500萬臺/年。智能照明調(diào)光器市場預(yù)計將以超過15%的速度增長2預(yù)計到2024年將達到1500萬臺/年。

接地故障斷路器 （GFCI）/電弧故障斷路器 （AFCI） 和 USB 插座等其他設(shè)備正變得越來越智能。GFCI / AFCI設(shè)備市場大致估計增長率約為5%，而USB市場估計以10%的速度增長。通過過壓和過流保護保護所有這些設(shè)備對于長期可靠性和安全性至關(guān)重要。

是什么讓設(shè)備智能化？

智能設(shè)備具有電子電路，可實現(xiàn)控制、系統(tǒng)協(xié)調(diào)和狀態(tài)反饋。智能設(shè)備可通過音頻（語音）、手動或電子控制進行編程。物聯(lián)網(wǎng)智能設(shè)備可以通過蜂窩等無線通信協(xié)議遠程訪問和編程， WIFI， 或藍牙。您的個人計算機、平板電腦、智能手機或虛擬助手可以輕松地與這些智能設(shè)備進行通信。

安全性和可靠性設(shè)計

設(shè)計人員需要確保這些新的智能設(shè)備安全可靠，因為消費者期望高可靠性，而不會有服務(wù)中斷的風險。因此，這些器件需要過壓保護和過流保護，即使在受到雷電浪涌、感應(yīng)電涌、靜電放電和電快速瞬變等各種環(huán)境危害時也能保持運行。本文向設(shè)計人員介紹要使用的組件類型以及它們在電路架構(gòu)中的應(yīng)用位置。

連接到電源線的智能設(shè)備的設(shè)計注意事項

智能插座連接到輸入的交流電源線，需要滿足機構(gòu)標準和可靠性期望。通常，保險絲用于過流保護。如果在規(guī)定的時間段內(nèi)發(fā)生超過其額定值的電流，保險絲將中斷。選擇保險絲時，請考慮正常工作電流、應(yīng)用電壓、環(huán)境溫度、過載電流條件、最大故障電流、電阻和機構(gòu)批準。

雷擊會在電源線上產(chǎn)生感應(yīng)電涌，從而產(chǎn)生過壓瞬變，從而導致故障。為了保護，設(shè)計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)計用于吸收瞬態(tài)電流浪涌。TVS 二極管的響應(yīng)時間更快，低于皮秒，MOV 可以吸收更多能量，具體取決于所選的特定組件。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。

主保險絲參數(shù)：

額定電流

最大工作電壓

中斷電流額定值

串聯(lián)電阻

主要 MOV 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

初級TVS二極管參數(shù)：

反向關(guān)斷電壓

峰值脈沖功耗

擊穿電壓

保護無線通信微處理器免受靜電放電 （ESD） 的影響

智能插座的無線通信電路暴露在外部環(huán)境中，包括人機觸摸，應(yīng)主要具有ESD保護。選擇最佳抑制技術(shù)取決于威脅級別、系統(tǒng)架構(gòu)和外形尺寸。

ESD抑制元件保護無線芯片組和無線接口后面的數(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。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二極管將承受符合IEC 61000-4-2標準的+/- 12 kV ESD。

TVS二極管陣列和聚合物ESD抑制器均具有小尺寸，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 30 kV 的直接接觸和高達 30 kV 的空氣傳輸，符合 IEC61000-4-2 標準。聚合物 ESD 器件在不到一納秒的時間內(nèi)響應(yīng) ESD 電壓，而 TVS 二極管在皮秒內(nèi)響應(yīng)。如果尺寸是一個主要問題，則聚合物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。

初級聚合物靜電放電參數(shù)

關(guān)斷電壓

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和控制

智能調(diào)光器和智能電源插座都從電源線獲取電力;因此，它們需要電源線保護。兩款器件還具有無線通信接口，需要ESD保護。還需要ESD保護，以保護電路在生產(chǎn)和安裝過程中免受手動控制的開關(guān)和其他接觸點的影響。過流保護、過壓保護和電源控制的典型選項如圖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。推薦的保護和控制組件選項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為直流電路供電的開關(guān)電源進行整流。肖特基整流器具有低正向電壓。低正向電壓提高了功率轉(zhuǎn)換效率。此外，肖特基二極管具有快速的開關(guān)速度，使開關(guān)電源能夠在高頻下工作，從而進一步提高效率。

在調(diào)光器中，TRIAC用于控制輸出到燈光的交流波形的百分比。對于低負載電流光源（如 LED），TRIC 的保持電流可低至 6 mA?？刂乒庠吹牧硪环N選擇是MOSFET。MOSFET 具有快速開關(guān)時間和低導通電阻，可最大限度地減少功率損耗并提高從輸入到輸出的功率傳輸效率。柵極驅(qū)動器控制 MOSFET，并確保 MOSFET 的高效導通和關(guān)斷。

初級肖特基二極管參數(shù)

正向電壓

正向電流

反向電壓

反向恢復(fù)時間

可控硅主要參數(shù)

導通狀態(tài)電流

額定電壓

保持電流

導通狀態(tài)電流上升率

初級場效應(yīng)管參數(shù)

漏源電流

導通電阻

切換時間

初級 MOSFET 柵極驅(qū)動器參數(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組件選項顯示在框圖旁邊的列表中。

圖3.智能插座框圖顯示了需要保護和控制組件的位置。下表列出了建議的組件選項。

確保對 GFCI、AFCI 和 USB 插座的保護和控制

家庭的原始智能設(shè)備是GFCI和AFCI。當熱線上輸送的負載電流未返回零線時，GFCI 會檢測。如果電流不平衡超過預(yù)定的跳閘水平，GFCI會斷開插座的電源，以防止觸電危險。AFCI檢測到電弧狀況并斷開插座的電源以防止火災(zāi)。

帶有USB充電功能的電源插座在住宅和公共場所變得越來越普遍。這些插座可能將 USB 充電與歷史電源插座或單個設(shè)備中的多個 USB 充電器相結(jié)合。GFCI、AFCI 和 USB 充電器需要瞬變保護。圖 4 顯示了 GFCI、AFCI 和 USB 充電插座所需的推薦保護和控制組件。

圖4.推薦用于 GFCI、AFCI 和 USB 充電插座的保護和控制組件。

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組件類似。建議的電源控制組件是 SCR。當檢測到電流不平衡時，SCR 激活繼電器，斷開交流主輸入電源與輸出的連接。此外，SCR 還提供各種通孔和表面貼裝封裝。它們還將具有高達2500 Vrms的隔離電壓。

主要可控硅參數(shù)

導通狀態(tài)電流

阻斷電壓

前向下降

柵極電流觸發(fā)電平

圖5.GFCI或AFCI的框圖。相鄰的表列出了建議的保護和控制組件選項。

圖6.USB 插座框圖。建議的保護和控制組件選項顯示在相鄰列表中。

通過了解適用的行業(yè)安全標準節(jié)省開發(fā)時間

這些智能設(shè)備需要滿足UL標準或IEC標準，因為它們都使用在線電源運行。適用的特定標準取決于將使用設(shè)備的全球位置。如果認證機構(gòu)未能批準您的產(chǎn)品，錯過標準要求可能會導致產(chǎn)品開發(fā)時間延長并增加項目成本。表1包含這些類型產(chǎn)品的適用國家和國際標準列表。

表 1.適用的國家和國際標準和合規(guī)性列表

審核編輯：郭婷