智能家居安全應用的電路保護，控制和傳感設計注意事項

2021-02-26

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了智能家庭安全系統的開(kāi)發(fā)，該系統可為消費者提供安全性，便利性和能源效率。新的傳感技術(shù)和無(wú)線(xiàn)協(xié)議（例如無(wú)線(xiàn)LAN（Wi-Fi））創(chuàng )建了各種各樣的設備，可以監視和控制安全設備，訪(fǎng)問(wèn)控制設備，設備，能源管理設備，電源插座，照明和娛樂(lè )系統。圖1說(shuō)明了支持智能家居的IoT技術(shù)的廣度。 

圖1.智能家居技術(shù)的優(yōu)勢包括娛樂(lè )，電器，訪(fǎng)問(wèn)，電源，能源以及安全性的控制。 

智能家居安防市場(chǎng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的市場(chǎng)。住宅安全攝像機的單位出貨量預計將從2018年的5400萬(wàn)臺增長(cháng)到2023年的1.2億臺。這意味著(zhù)17％的大幅復合年增長(cháng)率（CAGR）。在這個(gè)市場(chǎng)上有大量的創(chuàng )新和新產(chǎn)品的機會(huì )。 

可靠性等于安全性

為了贏(yíng)得市場(chǎng)份額，智能家居安防產(chǎn)品將需要高度可靠。隨著(zhù)越來(lái)越多的供應商進(jìn)入市場(chǎng)并且產(chǎn)品差異縮小，產(chǎn)品質(zhì)量將成為消費者的更大決定因素。因此，產(chǎn)品將需要對過(guò)載和瞬變具有魯棒性。以下各段將為家庭安全系統的設計人員提供有關(guān)使用和選擇保護和控制其電路的組件的建議。將介紹用于保護以下產(chǎn)品的組件：

有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)監控攝像頭

有線(xiàn)門(mén)鈴攝像頭 

有線(xiàn)監控攝像頭

有線(xiàn)安全攝像機系統通常是固定安裝的安全系統，用于監視住宅周?chē)膮^域。圖2顯示了有線(xiàn)安全攝像機以及用于保護和控制攝像機的推薦組件。這些攝像機由交流電源線(xiàn)供電，并且會(huì )受到交流電源線(xiàn)上傳播的過(guò)載和瞬變的影響。此外，所有與外部環(huán)境的連接均會(huì )受到靜電放電（ESD）的影響。

設計人員將需要保護其相機電路免受這些危險條件的損害。圖3顯示了有線(xiàn)安全攝像機以及為確保產(chǎn)品堅固而推薦使用的保護和控制組件的框圖。 

圖2.有線(xiàn)安全攝像機示例以及推薦的保護和控制組件 

圖3.有線(xiàn)安全攝像機框圖，顯示電路及其推薦的保護和控制組件。  

電源適配器

電源適配器與交流電源線(xiàn)連接，并且需要保護以防止電源線(xiàn)電流浪涌和電壓瞬變。我們建議使用保險絲進(jìn)行過(guò)載保護，使用金屬氧化物變阻器（MOV）來(lái)保護瞬態(tài)電流浪涌，并使用瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）二極管來(lái)保護瞬態(tài)電壓。這三個(gè)組件以及為您的設計細節選擇的參數，將確保電源適配器對過(guò)載和瞬變具有魯棒性。 

選擇慢熔保險絲，以避免由于切換電源浪涌電流而造成保險絲開(kāi)裂。但是，為避免損壞電源適配器電路，請選擇能夠對連續過(guò)載（例如在幾秒鐘內達到200％過(guò)載）快速響應的保險絲。選擇保險絲時(shí)，請不要忽略其他關(guān)鍵參數。驗證保險絲的額定電壓是否超過(guò)電源可以看到的最大線(xiàn)路電壓。另外，請確保中斷額定值高于電路可能遇到的最壞情況下的電流過(guò)載。

適當的中斷額定值將避免由于交流線(xiàn)路產(chǎn)生較大的瞬時(shí)過(guò)載而對保險絲造成物理?yè)p壞。由于電源空間有限，因此請尋找滿(mǎn)足要求的小型保險絲。最后，使用具有UL / IEC認證的保險絲來(lái)簡(jiǎn)化并加快產(chǎn)品安全合規性鑒定。

例如，對于雷電引起的大的高能量浪涌，請使用金屬氧化物變阻器（MOV）來(lái)保護電源，該金屬變阻器的位置應盡可能靠近電源的輸入。MOV可以吸收高達10 kA的浪涌電流，并且可以吸收超過(guò)500 J的峰值脈沖能量。由于MOV與電源線(xiàn)接觸，因此請使用UL / IEC認證的組件。 

您要考慮的第三個(gè)保護元件是瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）二極管，以保護下游電路免受瞬態(tài)電壓的影響。TVS二極管對瞬態(tài)的響應非?？?，不到1 ps。抑制瞬變時(shí)，TVS二極管將其輸出鉗位在低電壓，以保護敏感電路。TVS二極管有單向或雙向版本，其鉗位電壓范圍很廣，可低至10V。  

直流輸入級

直流輸入級提供直流電壓，為控制板，電機驅動(dòng)器和圖像傳感器接口供電。我們建議為此電路同時(shí)使用電流過(guò)載保護和瞬態(tài)電壓保護?？梢赃x擇使用常規保險絲或可重置的聚合物正溫度系數（PPTC）保險絲。這兩種類(lèi)型的保險絲均具有表面貼裝版本，因此占用的PCB空間最小。TVS二極管還提供節省空間的表面安裝封裝，可承受高達5000 W峰值脈沖功率的瞬變。 

控制板

控制板包含用于攝像頭電路的智能?？刂瓢灏?span>MCU，視頻存儲器和有線(xiàn)接口電路，該接口電路使用PoE協(xié)議通過(guò)交流電源線(xiàn)傳輸信息?？刂瓢宓膬蓚€(gè)電路應具有保護組件。這兩個(gè)電路是有線(xiàn)接口和存儲電路。 

有線(xiàn)接口與外部環(huán)境連接，并應具有電流過(guò)載和瞬態(tài)電壓保護功能。與直流輸入級一樣，選擇常規保險絲或可復位保險絲進(jìn)行電流過(guò)載保護。為了防止電壓瞬變，我們建議使用特殊組件TVS二極管陣列。TVS二極管陣列可保護PoE I / O線(xiàn)路免受ESD和其他高壓瞬變的影響。

圖4顯示了一個(gè)雙向二極管與齊納二極管的組合，可承受±30 kV ESD沖擊。這些二極管具有低的1pF /端口電容，可將其對POE協(xié)議發(fā)送和接收信號的影響降至最低。如圖4所示的二極管陣列配置可采用表面貼裝封裝，它們占用的PCB空間最少。  

圖4.設計用于多個(gè)I / O端口的ESD保護的TVS二極管陣列  

SD卡保存相機獲取的數據。我們建議使用TVS二極管來(lái)保護此重要電路免受高達±30 kV的ESD的影響。TVS二極管的泄漏電流低于1 μA，可降低功耗。 

馬達驅動(dòng) 

電機驅動(dòng)塊具有一個(gè)搖攝和俯仰電機電路，可將攝像機定位以跟蹤運動(dòng)。對于此電路，我們建議使用一個(gè)控制組件，一個(gè)光電隔離的固態(tài)開(kāi)關(guān)。光學(xué)隔離可防止電動(dòng)機噪聲和瞬變回耦合到搖攝和傾斜控制電路中。固態(tài)開(kāi)關(guān)可提供無(wú)跳動(dòng)開(kāi)關(guān)，以實(shí)現對電機的平穩控制。尋找具有零交叉開(kāi)關(guān)的固態(tài)開(kāi)關(guān)，以最大程度地減少電動(dòng)機的啟動(dòng)瞬變。另外，尋找具有限流功能的開(kāi)關(guān)，以防止電機停轉。 

無(wú)線(xiàn)監控攝像頭

為了監視內部空間，無(wú)線(xiàn)安全攝像機體積很小，可以輕松放置在任何地方。有關(guān)示例無(wú)線(xiàn)攝像機，請參見(jiàn)圖5。圖6顯示了無(wú)線(xiàn)攝像機的框圖以及該設備的推薦保護和控制組件。  

圖5.帶有推薦保護組件的示例無(wú)線(xiàn)安全攝像機 

圖6.無(wú)線(xiàn)安全攝像機的框圖以及推薦的保護和感測組件 

適配器

USB適配器是無(wú)線(xiàn)安全攝像機的電源。由于USB適配器連接到交流電源，因此必須保護其免受電流過(guò)載和電壓瞬變的影響。與為有線(xiàn)安全攝像機供電的電源適配器類(lèi)似，USB適配器應具有用于過(guò)流保護的保險絲，用于雷擊的MOV和用于ESD保護的TVS二極管。

如果設計將使用USB Type-C協(xié)議，則USB Type-C高密度連接器需要進(jìn)行熱感應以檢測連接器引腳之間的短路。如果灰塵或污垢使連接器引腳附近短路，則符合USB Type-C設計的熱敏元件將避免損壞電纜和連接器。請參閱USB Type-C標準。2糾正引起溫度升高的問(wèn)題后，傳感元件將以低電阻復位。 

電池組

如果電池單元在短路情況下發(fā)生故障并過(guò)熱，則應監視電池組是否存在過(guò)電流情況。另外，電池管理單元和USB可能會(huì )受到ESD的影響。我們建議使用可復位保險絲，即PPTC表面貼裝保險絲，以防止由于電池故障導致的過(guò)電流。PPTC保險絲將在不到一秒的時(shí)間內跳閘至200％的過(guò)載，以防止一塊短路的電池對多塊電池造成損壞。 

電池管理單元和USB電路應具有ESD保護。我們建議使用具有低鉗位電壓的多層金屬氧化物壓敏電阻來(lái)保護半導體組件。當節省PCB空間是一個(gè)重要的考慮因素時(shí)，可以部署節省空間的0402表面貼裝封裝的多層MOV版本。 

如果USB電路符合USB Type-C協(xié)議，則應使用與USB適配器推薦的熱感應元件相同的熱感應元件來(lái)保護USB電路中的配對USB插座。在我們的設計和安裝指南中，有關(guān)于將熱敏指示器設計為USB C型電路的更多詳細信息。3  

控制板 

控制板包含用于控制攝像機并保存視頻數據的數字電子設備?？刂瓢逍枰槍λ矐B(tài)和ESD的保護。對于此電路，我們建議使用耐壓達30 kV的齊納TVS二極管。TVS二極管的泄漏電流低于0.5 μA，可從電路中汲取最少的功率。二極管還占用少量PCB空間，可以容納在0201表面貼裝封裝中。  

無(wú)線(xiàn)介面

無(wú)線(xiàn)接口與外部無(wú)線(xiàn)設備（例如計算機，智能手機和移動(dòng)平板電腦）進(jìn)行通信。由于該電路暴露在內部環(huán)境中，因此該電路容易受到ESD的影響。在這種情況下，請考慮使用聚合物ESD抑制器。聚合物ESD抑制器可保護電路免受高達+/- 15 kV的ESD沖擊（通過(guò)空氣）和±8kV的人體接觸。此外，其低于0.2 pF的低電容不會(huì )降低信號傳輸或接收的性能。 

門(mén)鈴攝像頭

有線(xiàn)門(mén)鈴攝像頭已成為非常受歡迎的用于遠程查看訪(fǎng)客的產(chǎn)品。圖7顯示了一個(gè)示例門(mén)鈴攝像頭，圖8顯示了帶有建議的保護和控制組件的框圖。 

圖7.有線(xiàn)門(mén)鈴攝像頭示例以及推薦的保護和控制解決方案 

圖8.帶有建議的保護和控制組件的有線(xiàn)門(mén)鈴攝像頭的框圖 

供電單元

電源設備與來(lái)自交流電源線(xiàn)的降壓交流電壓接口，并且可能遭受電流過(guò)載和電壓瞬變，例如雷電引起的瞬變。與其他電源電路一樣，保險絲可以防止電流過(guò)載。為了防止AC線(xiàn)上的電壓瞬變，請選擇一個(gè)TVS二極管，該二極管可以吸收功率高達4 kW的瞬變?？紤]使用光隔離的固態(tài)繼電器來(lái)控制其他電路的電源，并防止噪聲和來(lái)自電源線(xiàn)的瞬變傳播到下游電路。  

電池組

電池組為控制板和用戶(hù)界面提供備用電源。電池組及其子單元，電池管理單元和USB電路需要使用推薦用于無(wú)線(xiàn)相機中相同電路的相似組件來(lái)保護其免受過(guò)電流情況和瞬變的影響。添加TVS二極管將確保抑制電壓瞬變和ESD沖擊。與無(wú)線(xiàn)攝像機中的電池組一樣，如果USB C型協(xié)議是設計要求，我們建議對USB電路進(jìn)行熱感應。  

用戶(hù)界面

用戶(hù)界面會(huì )受到人為接觸的靜電放電的影響。使用TVS二極管來(lái)保護用戶(hù)界面不受ESD的影響。如果門(mén)鈴攝像機將在歐洲銷(xiāo)售，則需要在激活門(mén)鈴和攝像機之間進(jìn)行切換，以符合歐洲隱私法規?？紤]使用固態(tài)繼電器來(lái)消除機械繼電器觸點(diǎn)彈跳和電磁干擾（EMI）的產(chǎn)生。 

控制板和無(wú)線(xiàn)接口

控制板和無(wú)線(xiàn)接口電路對門(mén)鈴攝像頭的作用與對無(wú)線(xiàn)攝像頭的作用相同。為無(wú)線(xiàn)攝像機中的這些電路推薦的保護組件將應用于門(mén)鈴攝像機中的相同電路。 

COVID-19大流行影響安全攝像機的設計

一些安全攝像機制造商正在適應COVID-19大流行所帶來(lái)的“新常態(tài)”。他們將紅外熱感測技術(shù)添加到攝像機中，以便可以離散地監控家庭或企業(yè)訪(fǎng)客的溫度。溫度測量可能會(huì )成為未來(lái)智能家居安全系統的標準功能。隨著(zhù)安全攝像機變得越來(lái)越復雜以包括健康安全的這一方面，結合適當的電路保護有助于開(kāi)發(fā)更可靠，更耐用的設備。 

圖9.安全攝像機添加了熱掃描以監視COVID-19之后的體溫 

家用安全攝像機的適用標準

表1所示的兩個(gè)安全標準定義了對音頻/視頻通信技術(shù)設備和電池（例如鋰電池）的要求。IEC 62368-1解決了監視設備的安全要求；第二標準IEC 62311-2規定了確保鋰電池和電池組安全的要求。鋰電池的組裝和操作不當會(huì )導致起火的危險；因此，監視這些類(lèi)型的電池至關(guān)重要。不遵守這些標準將導致重新設計工作，并再次提交標準機構認證。項目成本將增加，并且產(chǎn)品的推出可能會(huì )延遲。  

表1.帶監控攝像頭的產(chǎn)品的安全標準

保護價(jià)值

通過(guò)將保護和感測組件作為設計目標，并在項目早期將標準合規性納入其中，您可以經(jīng)濟高效地開(kāi)發(fā)出強大而可靠的智能家居安全系統。當然，您的設計始終是性能和總擁有成本之間的折衷方案。盡管某些技術(shù)的成本可能高于其他技術(shù)，但其他因素可能表明，最低的總擁有成本需要成本更高的組件技術(shù)。選擇保護，控制和感應組件時(shí)，請充分利用組件制造商的工程專(zhuān)業(yè)知識。使用值得信賴(lài)的供應商可以節省您的時(shí)間和資源。  

可靠性和效率提高了您的智能家居安全系統的聲譽(yù)。高質(zhì)量的聲譽(yù)可以導致市場(chǎng)份額的增長(cháng)和收入的增長(cháng)。從而提高了盈利能力。