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保护智能家居中的智能插座-面包板社区

来源:智能家居 日期:2021-09-17

无线和互联网技术的创意正在将常见的非智能设备改变为可帮助用户利用物联网(IoT)的智能设备。这种趋势正在我们的家庭,工作场所和建筑物中发生。物联网技术已经转入家庭,建构了一个便利、安全、灯光掌控、娱乐和环境掌控的智能家居。


为了实现这些进步,传统上非智能的设备(例如,调光器和电源插座)必须是智能的,并在最新的住宅和建筑设计中被普遍采用。智能电源插座市场正以约25%的填充年增长率增长,预计到2024年将超过4500万台/年。智能灯调光器市场预计将以超过15%的速度快速增长,预计到2024年将达到1500万台/年。


其它设备,如接地故障断路器(GFCI)/电弧故障断路器(AFCI)和USB插座正在显得越来越智能化。据粗略估计,GFCI/AFCI设备的市场增长率约为5%,而USB市场的增长率估算为10%。用过电压和过电流维护来保护所有这些设备对于长期的可靠性和安全性至关重要。


01

是什么使设备智能化?

智能设备具有可实现控制,系统协调和状态反馈的电子电路。可以通过音频(语音),手动或电子控制对智能设备展开编程。物联网智能设备可以通过无线通信协议(如蜂窝、WIFI或蓝牙)进行远程访问和编程。您的个人计算机、平板电脑、智能手机或虚拟助手可以轻松地与这些智能设备展开通信。


02

安全性和可靠性设计

设计人员必须确保这些新的智能设备安全可靠,因为消费者期望取得高可靠性而会中断服务。因此,即使在遭到各种环境危害(例如雷电浪涌,感应器电源浪涌,静电放电和电快速瞬变)的情况下,设备也必须过电压保护和过电流维护来维持运行。本文向设计人员介绍了要使用的元件类型以及它们在电路体系结构中的应用于方位。


03

相连电源线的智能设备的设计注意事项

智能插座连接到交流电源线,需要满足机构的标准和可靠性要求。通常,熔断器用于过电流维护。如果在规定的时间内出现超过其额定值的电流,熔断器将中断。选择熔断器时,请考虑正常工作电流,应用于电压,环境温度,短路电流条件,仅次于故障电流,电阻和机构的接纳。


雷击会在电源线上产生感应电涌,产生过电压瞬变,从而导致故障。为了保护起见,设计人员通常选择金属氧化物压敏电阻(MOV)和/或瞬态电压诱导二极管(TVS)。MOV和TVS都设计用于吸取瞬态电流浪涌。TVS二极管反应时间在皮秒级别,有更慢的响应时间,MOV可以吸收更多的能量,这各不相同选取的特定元件。正确的元件选择各不相同准确的系统布局和系统中的其它元件。需要考虑工作电压、箝位电压、浪涌要求和元件成本。


主要熔断器参数:

  • 额定电流

  • 最大工作电压

  • 中断电流额定值

  • 串联电阻

主要MOV参数:

  • 吸取的仅次于瞬态能量

  • 最大峰值浪涌电流

  • 仅次于持续工作电压

  • 钳位电压

  • 工作温度范围

主要TVS二极管参数:

  • 反向变频器电压

  • 峰值脉冲功耗

  • 击穿电压


04

维护无线通信微处理器免遭静电静电(ESD)的影响

智能插座的无线通信电路曝露在还包括人为触摸的外部环境中,并应首先具有防止静电放电的保护措施。自由选择最佳的抑制技术各不相同威胁级别、系统架构和外形因素。


ESD诱导元件既能保护无线芯片组又能维护无线模块后面的数字电路。TVS二极管阵列和聚合物ESD抑制器是两种解决方案。TVS二极管阵列具备尽可能低的箝位电压和最小的PCB尺寸的优点。两种元件均具备较低外泄电流和高于1 pF的低电容。根据IEC 61000-4-2标准,用于此应用的典型TVS二极管将忍受+/-12kV ESD。


TVS二极管阵列和聚合物ESD抑制器都具有较小的尺寸,并少闲置宝贵的印刷电路板空间。最重要的是,这些器件(取决于所选择的元件)可以忍受高达30kV的直接接触和高达30kV的空气放电(符合IEC61000-4-2)。聚合物ESD器件可在纳秒内响应ESD电压,而TVS二极管可在皮秒内响应。如果尺寸是一个主要问题,那么聚合物ESD器件的最大焊盘面积(焊盘长度)为3mm,而TVS二极管的最大焊盘面积为9mm。


主要聚合物ESD参数●●

隔绝电压

钳位电压

启动时电压

电容

溢电流


05

智能调光器和智能电源插座的保护和掌控

智能调光器和智能电源插座都从电源线获取电源;因此,它们需要电源线维护。两种设备都有无线通信接口,必须防静电保护。在生产和加装过程中,还必须ESD保护,以保护电路不不受手动掌控电源和其它接触点的影响。过电流维护、过电压保护和功率掌控的典型选项如图1所示。


图1:用作智能调光器和智能电源插座的引荐维护和控制元件


图2表明了智能调光器的方框图,图3表明了智能插座的方框图。引荐的维护和控制元件选项显示在方框图旁边的列表中。

图2:智能调光器的方框图

推荐用作的电路块的安全和控制元件选项如方框图旁边的列表所示

图3:智能插座方框图,表明必须维护和控制元件的位置。

下表列出了推荐的元件选项。


06

智能调光器和电源插座的电源掌控

智能插座采用肖特基整流器在开关电源中展开整流,为直流电路供电。肖特基整流器的正向电压很低。低正向电压提升了功率切换效率。此外,肖特基二极管具有快速的开关速度,使开关电源能够在高频下工作,从而提高效率。


在调光器中,双向晶闸管用于掌控输出到灯的交流波形的百分比。对于较低阻抗电流,LED、双向晶闸管等光源的保持电流可低至6 mA。掌控光源的另一个选择是MOSFET。MOSFET具有开关时间慢、导通电阻低的特点,可以最大限度地降低功率损耗,提高从输入到输出的功率传输效率。栅极驱动器控制MOSFET并保证MOSFET的有效导通和变频器。


主要肖特基二极管的参数

  • 正向电压

  • 正向电流

  • 偏移电压

  • 反向恢复时间


主要双向晶闸管的参数

  • 通态电流

  • 额定电压

  • 维持电流

  • 通态电流上升率


主要MOSFET参数

  • 漏源电流

  • 导通电阻

  • 转换时间


主要MOSFET参数

  • 输入电压

  • 输入电流


07

保证对接地故障断路器,电弧故障断路器和USB插座的保护和掌控

最初的家用智能设备是短路故障断路器和电弧故障断路器。当电荷线路上传输的负载电流没返回中性线时,接地故障断路器会感应到。如果电流不均衡多达预先设定的跳闸水平,短路故障断路器会截断电源插座的电源,以防止触电危险。电弧故障断路器检测到电弧情况并切断插座电源以避免火灾。


具备USB电池功能的电源插座在住宅和公共场所越来越广泛。这些插座可以将USB电池与传统的电源插座组合在一起,也可以在单个设备中使用多个USB充电器。接地故障断路器,电弧故障断路器和USB充电器需要避免瞬变的保护。图4表明了接地故障断路器,电弧故障断路器和USB充电插座所需的推荐保护和控制元件。


图4:接地故障断路器,

电弧故障断路器和USB充电插座的推荐维护和掌控组件。


短路故障断路器和电弧故障断路器的方框图如图5右图。智能调光器和智能插座的维护元件相近。推荐的功率控制元件是SCR。当检测到电流不平衡时,SCR激活继电器,断开交流主输出电源到输入的连接。此外,SCR还获取各种通孔和表面贴装PCB。它们还将具备高达2500 Vrms的隔离电压。



主要SCR参数

  • 通态电流

  • 阻断电压

  • 正向压降

  • 栅极电流启动时电压


图5:接地故障断路器或电弧故障断路器的方框图

下表列出了推荐的保护和控制元件选项


图6:USB插座的方框图 

推荐的维护和控制元件选项表明在旁边的列表中


08

理解适用的行业安全标准,节省开发时间

这些智能设备需要合乎UL标准或IEC标准,因为它们都是在线供电的。适用的具体标准取决于设备将被用于的全球方位。如果认证机构未能批准您的产品,缺少标准要求可能会导致产品开发时间延长和项目成本增加。表格1所列了限于于此类产品的国家和国际标准。


表1:适用的国家和国际标准与合规性列表


有关Littelfuse电路保护解决方案的更多信息,请求参照以下文档:

  • 熔断器选择指南

  • 电路维护产品选择指南

  • 静电静电(ESD)诱导设计指南


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