無(wú)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(shì)正在我們的家庭、工作場(chǎng)所和建筑物中發(fā)生。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已進(jìn)入家庭，通過(guò)便利性、安全性、照明控制、娛樂(lè)和環(huán)境控制產(chǎn)品創(chuàng)造智能家居。

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，并且正在最新的家庭和建筑設(shè)計(jì)中得到廣泛采用。智能電源插座市場(chǎng)正以約25%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)1，預(yù)計(jì)到2024年市場(chǎng)將達(dá)到4500萬(wàn)臺(tái)/年。智能照明調(diào)光器市場(chǎng)預(yù)計(jì)將以超過(guò)15%的速度增長(zhǎng)2預(yù)計(jì)到2024年將達(dá)到1500萬(wàn)臺(tái)/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(lái)越智能。GFCI / AFCI設(shè)備市場(chǎng)大致估計(jì)增長(zhǎng)率約為5%，而USB市場(chǎng)估計(jì)以10%的速度增長(zhǎng)。通過(guò)過(guò)壓和過(guò)流保護(hù)保護(hù)所有這些設(shè)備對(duì)于長(zhǎng)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(shí)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(guò)音頻（語(yǔ)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(guò)蜂窩等無(wú)線通信協(xié)議遠(yuǎn)程訪問(wèn)和編程， WIFI， 或藍(lán)牙。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，這些器件需要過(guò)壓保護(hù)和過(guò)流保護(hù)，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(shí)也能保持運(yùn)行。本文向設(shè)計(jì)人員介紹要使用的組件類型以及它們?cè)陔娐芳軜?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(guò)流保護(hù)。如果在規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)發(fā)生超過(guò)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(guò)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)電涌，從而產(chǎn)生過(guò)壓瞬變，從而導(dǎo)致故障。為了保護(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 二極管的響應(yīng)時(shí)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(xiǎn)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(jí)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(hù)無(wú)線通信微處理器免受靜電放電 （ESD） 的影響

智能插座的無(wú)線通信電路暴露在外部環(huán)境中，包括人機(jī)觸摸，應(yīng)主要具有ESD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)和外形尺寸。

ESD抑制元件保護(hù)無(wú)線芯片組和無(wú)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(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二極管將承受符合IEC 61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)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(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 器件在不到一納秒的時(shí)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(gè)主要問(wèn)題，則聚合物ESD器件的最大占位面積（焊盤長(zhǎng)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(hù)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(hù)。兩款器件還具有無(wú)線通信接口，需要ESD保護(hù)。還需要ESD保護(hù)，以保護(hù)電路在生產(chǎn)和安裝過(guò)程中免受手動(dòng)控制的開(kāi)關(guān)和其他接觸點(diǎn)的影響。過(guò)流保護(hù)、過(guò)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(kāi)關(guān)電源進(jìn)行整流。肖特基整流器具有低正向電壓。低正向電壓提高了功率轉(zhuǎn)換效率。此外，肖特基二極管具有快速的開(kāi)關(guān)速度，使開(kāi)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，TRIAC用于控制輸出到燈光的交流波形的百分比。對(duì)于低負(fù)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(kāi)關(guān)時(shí)間和低導(dǎo)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(dòng)器控制 MOSFET，并確保 MOSFET 的高效導(dǎo)通和關(guān)斷。

初級(jí)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(shí)間

可控硅主要參數(shù)

導(dǎo)通狀態(tài)電流

額定電壓

保持電流

導(dǎo)通狀態(tài)電流上升率

初級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管參數(shù)

漏源電流

導(dǎo)通電阻

切換時(shí)間

初級(jí) 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組件選項(xiàng)顯示在框圖旁邊的列表中。

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

確保對(duì) GFCI、AFCI 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)熱線上輸送的負(fù)載電流未返回零線時(shí)，GFCI 會(huì)檢測(cè)。如果電流不平衡超過(guò)預(yù)定的跳閘水平，GFCI會(huì)斷開(kāi)插座的電源，以防止觸電危險(xiǎn)。AFCI檢測(cè)到電弧狀況并斷開(kāi)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(chǎng)所變得越來(lái)越普遍。這些插座可能將 USB 充電與歷史電源插座或單個(gè)設(shè)備中的多個(gè) USB 充電器相結(jié)合。GFCI、AFCI 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)和控制組件。

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。建議的電源控制組件是 SCR。當(dāng)檢測(cè)到電流不平衡時(shí)，SCR 激活繼電器，斷開(kāi)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(dá)2500 Vrms的隔離電壓。

主要可控硅參數(shù)

導(dǎo)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(hù)和控制組件選項(xiàng)。

圖6.USB 插座框圖。建議的保護(hù)和控制組件選項(xiàng)顯示在相鄰列表中。

通過(guò)了解適用的行業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)節(jié)省開(kāi)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)樗鼈兌际褂迷诰€電源運(yùn)行。適用的特定標(biāo)準(zhǔn)取決于將使用設(shè)備的全球位置。如果認(rèn)證機(jī)構(gòu)未能批準(zhǔn)您的產(chǎn)品，錯(cuò)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間延長(zhǎng)并增加項(xiàng)目成本。表1包含這些類型產(chǎn)品的適用國(guó)家和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)列表。

表 1.適用的國(guó)家和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和合規(guī)性列表

審核編輯：郭婷