在智能家居的智能電源插座中設計安全性和可靠性

2021-02-26

無(wú)線(xiàn)通信，互聯(lián)網(wǎng)和電子電路的進(jìn)步推動(dòng)了智能設備的發(fā)展。通過(guò)使用物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)，非智能設備正在演變?yōu)橹悄茉O備。提供電源控制，安全性，環(huán)境控制和娛樂(lè )的智能設備在家庭中正變得越來(lái)越普遍?，F在具有智能版本的非智能電源控制設備的示例包括調光器，電源插座和接地故障電路斷流器（GFCI）/電弧故障電路斷流器（AFCI）。

非智能設備只能手動(dòng)控制或始終通電，而智能設備具有允許自動(dòng)控制和狀態(tài)反饋的電子設備和固件。智能設備是IoT域的組成部分，可以響應來(lái)自個(gè)人計算機，平板電腦，智能手機或虛擬助手的控制。這些產(chǎn)品使用諸如蜂窩，Wi-Fi或藍牙之類(lèi)的無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議訪(fǎng)問(wèn)智能設備。

安全性和可靠性設計 

設計人員面臨的挑戰是確保這些新的智能設備安全可靠，從而使消費者在不中斷服務(wù)風(fēng)險的情況下具有較高的可靠性。因此，即使遭受雷電浪涌，感應電涌，靜電放電（ESD）和電快速瞬變等各種環(huán)境危害，這些設備也需要過(guò)壓保護和過(guò)流保護來(lái)維持運行。本文為設計人員提供了保護和低功耗控制組件的建議，它們既可以防止過(guò)載損壞敏感電路，又可以最大程度地提高器件效率。  

保護智能調光器和電源插座

調光器和電源插座連接到交流電源線(xiàn)，并且容易受到交流線(xiàn)上可能發(fā)生的過(guò)電流和瞬態(tài)過(guò)電壓的影響。雷擊，負載浪涌引起的電源線(xiàn)電壓變化，電機開(kāi)啟或關(guān)閉產(chǎn)生的感應瞬變以及靜電放電（ESD）等瞬變會(huì )損壞控制智能調光器和智能電源插座的電子電路。

圖1顯示了推薦用于保護電子電路并有效控制調光器和智能電源插座的保護和控制組件。 

圖1.用于智能調光器和智能電源插座的推薦保護和控制組件。 

智能調光器的保護和控制組件

調光器是用于控制家庭照明設備的照明的常用物品。智能調光器可對燈具或一組燈具進(jìn)行精確的遠程控制或定時(shí)控制。圖2顯示了電子調光開(kāi)關(guān)的框圖，并顯示了使用推薦的保護和控制組件的特定電路塊。  

圖2.智能調光器的框圖。推薦給電路塊的安全和控制組件選項顯示在框圖旁邊的列表中。 

交流輸入保護電路

交流輸入保護電路塊直接與交流市電電源線(xiàn)連接，并且需要過(guò)流保護和瞬態(tài)電壓保護。設計人員應對模塊進(jìn)行熔斷，以防止過(guò)電流導致對下游電路模塊的損壞。我們建議使用慢熔保險絲，其大小應避免由于浪涌電流（例如來(lái)自開(kāi)關(guān)電源）而造成不必要的停機。保險絲的額定電壓應超過(guò)額定交流線(xiàn)路電壓。

保險絲的關(guān)鍵參數是其中斷額定值。確保所選的保險絲在大過(guò)載時(shí)不會(huì )融化或蒸發(fā)。估算電源線(xiàn)的最大電流容量，然后選擇斷續額定值超過(guò)您對潛在可用電流的估算值的保險絲。保險絲的斷續額定值可能為100千安培（kA）的10s。 

為了保護交流輸入保護電路免受交流線(xiàn)路上的瞬變影響，我們建議使用金屬氧化物壓敏電阻（MOV）。MOV可以承受瞬態(tài)的最大電壓，并且可以吸收瞬態(tài)電壓引起的電流浪涌。我們建議您考慮一個(gè)MOV，它吸收多達10,000 A的電流脈沖和來(lái)自瞬變的400 J能量。良好的設計習慣是將MOV放置在盡可能靠近印刷電路板輸入端的位置，以防止瞬變傳播到電路中。

在交流輸入保護電路的次級側，使用瞬態(tài)電壓抑制二極管（TVS）保護下游的次級電路。您可以選擇單向或雙向二極管，具體取決于電路可能遭受正向和負向瞬變的可能性。TVS二極管對瞬態(tài)的響應非?？?，不到1 ps。它們可以吸收1500 W的峰值脈沖功率，并具有低鉗位電壓，以保護低壓電子電路。  

開(kāi)關(guān)電路

開(kāi)關(guān)電路控制到燈具的輸出。最小化功耗可最大程度地提高電路效率，并最大程度地減少調光器中的熱量積聚。我們建議使用保持電流小的TRIAC（晶閘管）。

TRIAC的保持電流低于10 mA。它們還可以在超過(guò)100°C的結溫下安全運行。為了進(jìn)一步提高效率，請考慮使用MOSFET來(lái)控制TRIAC的功率。選擇低RDS（on）電阻低于0.5Ω且開(kāi)關(guān)時(shí)間短的功率MOSFET，以減少器件轉換期間的功率損耗和MOSFET處于導通狀態(tài)時(shí)的功耗。

您可以使用單芯片柵極驅動(dòng)器簡(jiǎn)化驅動(dòng)MOSFET的管理。柵極驅動(dòng)器芯片可以包含兩個(gè)驅動(dòng)放大器，以控制高端，低端功率MOSFET并最大化其開(kāi)關(guān)速度。選擇具有足夠電流容量的柵極驅動(dòng)器來(lái)驅動(dòng)MOSFET。最后，用MOV保護該電路免受線(xiàn)電壓浪涌的影響，該電壓會(huì )傳播到開(kāi)關(guān)電路中，該MOV可以承受與推薦用于AC輸入保護電路的MOV相似的量。    

無(wú)線(xiàn)通訊電路

無(wú)線(xiàn)通信電路使用無(wú)線(xiàn)LAN（Wi-Fi）協(xié)議與PC，平板電腦或智能手機進(jìn)行通信，以對調光器進(jìn)行遠程控制。該電路與外部環(huán)境連接，并受到ESD的影響，這主要是由智能調光器的用戶(hù)引起的。

我們建議使用雙向TVS二極管陣列（如圖3所示）或聚合物ESD保護器件來(lái)保護無(wú)線(xiàn)通信電路。  

圖3.具有兩個(gè)背對背二極管的雙向TVS二極管陣列    

由于電容小于1 pF，這兩種器件都可以保護I / O端口，而對電路性能的影響最小。而且，兩個(gè)組件都采用表面貼裝封裝，以節省有限的印刷電路板空間。此外，它們汲取的漏電流低于1 μA，從而降低了電路的功率負載。最重要的是，根據IEC 61000-4-2 ESD標準，任何一種設備都將承受±12 kV ESD沖擊。   

本地交換機

本地開(kāi)關(guān)允許用戶(hù)手動(dòng)控制調光器的輸出功率。像無(wú)線(xiàn)通信電路一樣，該電路與外部環(huán)境對接，并且很容易受到ESD沖擊。該電路需要與無(wú)線(xiàn)通信電路相同的保護組件。同樣，選擇二極管陣列或聚合物ESD保護器件。 

智能插座的保護和控制組件

圖4說(shuō)明了智能插座中的電路塊以及提供保護和有效控制的推薦組件。與智能調光器開(kāi)關(guān)一樣，智能插座具有交流輸入塊，交流-直流轉換電源塊，無(wú)線(xiàn)通信電路和手動(dòng)開(kāi)關(guān)控制電路。 

圖4.智能插座框圖，顯示需要保護和控制組件的位置。該表列出了推薦的組件選項。   

交流輸入保護和整流 

交流輸入和保護電路連接到交流電源線(xiàn)，并且像調光開(kāi)關(guān)的交流輸入保護塊一樣，會(huì )經(jīng)受大的過(guò)電流浪涌和高的過(guò)電壓瞬變，這些瞬變會(huì )在電源線(xiàn)上感應和傳播。因此，智能插座電路的AC輸入需要一個(gè)保險絲，一個(gè)MOV和一個(gè)TVS二極管，其特性與調光器輸入電路推薦的特性相同。  

電源 

智能插座中出于空間和效率方面的考慮，建議使用開(kāi)關(guān)電源來(lái)生成控制電路所需的DC電壓。我們建議通過(guò)高頻設計來(lái)最大程度地提高效率?？紤]在電路中使用肖特基整流二極管。這些器件具有通常低于0.5 V的低正向壓降，并且可以在高開(kāi)關(guān)頻率下工作，從而實(shí)現了小巧，節省空間的設計，可以高效地工作。 

無(wú)線(xiàn)通信和本地開(kāi)/關(guān)開(kāi)關(guān)

與智能調光器開(kāi)關(guān)一樣，無(wú)線(xiàn)通信和本地開(kāi)/關(guān)開(kāi)關(guān)電路也暴露在外部環(huán)境中，并容易受到ESD沖擊。使用TVS二極管陣列或聚合物ESD抑制器保護這些電路免受ESD的影響。 

保護GFCI，AFCI插座和USB電源插座

自1970年代以來(lái)，GFCI出口已開(kāi)始用于保護個(gè)人免受潮濕環(huán)境的侵害。自2014年和2015年以來(lái)，《國家電氣法規》和《加拿大電氣法規》分別要求在住宅設施和房屋的新建建筑中使用AFCI。GFCI感測何時(shí)在熱線(xiàn)上傳遞的負載電流不在中性線(xiàn)上返回。

如果電流不平衡量超過(guò)預定的跳閘水平，則GFCI會(huì )斷開(kāi)電源，以防止觸電危險。AFCI會(huì )檢測到電弧情況，并從插座上拔下電源以防止起火。圖5顯示了GFCI，AFCI和帶有USB充電端口的電源插座的推薦保護和控制組件。 

圖5.推薦用于GFCI，AFCI和USB充電插座的保護和控制組件。

圖6顯示了GFCI和AFCI中的電路塊。GFCI具有電流不平衡檢測電路，而AFCI具有電弧檢測電路。與智能調光器和智能插座一樣，這兩個(gè)設備都連接到交流電源線(xiàn)，并且需要過(guò)電流和瞬態(tài)電壓保護。

圖6. GFCI或AFCI的框圖。下表列出了推薦的保護和控制組件。 

點(diǎn)火電路

這些設備中的每一個(gè)都需要一個(gè)電路來(lái)控制繼電器，該電路可能會(huì )中斷插座電源。那就是觸發(fā)電路。我們建議您考慮使用SCR來(lái)控制機電繼電器。借助SCR，您可以設計出既高效又緊湊的簡(jiǎn)單控制電路。SCR是一款堅固耐用的組件，可以承受高達100 A的相當大的電流浪涌，并可以支持600 V以上的電壓。如果繼電器線(xiàn)圈的功耗很低，則可以使用表面貼裝型組件。   

USB插座

USB插座提供了使用USB電纜為便攜式設備供電或重新充電的便利。由于插座提供直流充電電流，因此用戶(hù)不需要USB電源適配器塊。USB插座需要與與交流電源線(xiàn)接口的其他智能設備相同的熔斷和瞬態(tài)電壓保護。圖7示出了具有USB充電端口的USB電源插座的框圖。 

圖7. USB插座的框圖。推薦的保護和控制組件在旁邊的列表中顯示。 

USB插座中的開(kāi)關(guān)電路為插座提供DC輸出。通過(guò)使用低正向電壓，肖特基二極管和高頻開(kāi)關(guān)設計，可以使該電路的效率最大化。此外，考慮使用功率MOSFET和集成的柵極驅動(dòng)器來(lái)進(jìn)一步提高直流功率控制電路的效率。