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

物聯網技術的進步推動了智能家庭安全系統的開發，該系統可為消費者提供安全性，便利性和能源效率。新的傳感技術和無線協議（例如無線LAN（Wi-Fi））創建了各種各樣的設備，可以監視和控制安全設備，訪問控制設備，設備，能源管理設備，電源插座，照明和娛樂系統。圖1說明了支持智能家居的IoT技術的廣度。 

圖1.智能家居技術的優勢包括娛樂，電器，訪問，電源，能源以及安全性的控制。 

智能家居安防市場是一個動態的市場。住宅安全攝像機的單位出貨量預計將從2018年的5400萬臺增長到2023年的1.2億臺。這意味著17％的大幅復合年增長率（CAGR）。在這個市場上有大量的創新和新產品的機會。 

可靠性等于安全性

為了贏得市場份額，智能家居安防產品將需要高度可靠。隨著越來越多的供應商進入市場并且產品差異縮小，產品質量將成為消費者的更大決定因素。因此，產品將需要對過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品的組件：

有線和無線監控攝像頭

有線門鈴攝像頭 

有線監控攝像頭

有線安全攝像機系統通常是固定安裝的安全系統，用于監視住宅周圍的區域。圖2顯示了有線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供電，并且會受到交流電源線上傳播的過載和瞬變的影響。此外，所有與外部環境的連接均會受到靜電放電（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顯示了有線安全攝像機以及為確保產品堅固而推薦使用的保護和控制組件的框圖。 

圖2.有線安全攝像機示例以及推薦的保護和控制組件 

圖3.有線安全攝像機框圖，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連接，并且需要保護以防止電源線電流浪涌和電壓瞬變。我們建議使用保險絲進行過載保護，使用金屬氧化物變阻器（MOV）來保護瞬態電流浪涌，并使用瞬態電壓抑制器（TVS）二極管來保護瞬態電壓。這三個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裂。但是，為避免損壞電源適配器電路，請選擇能夠對連續過載（例如在幾秒鐘內達到200％過載）快速響應的保險絲。選擇保險絲時，請不要忽略其他關鍵參數。驗證保險絲的額定電壓是否超過電源可以看到的最大線路電壓。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載。

適當的中斷額定值將避免由于交流線路產生較大的瞬時過載而對保險絲造成物理損壞。由于電源空間有限，因此請尋找滿足要求的小型保險絲。最后，使用具有UL / IEC認證的保險絲來簡化并加快產品安全合規性鑒定。

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500 J的峰值脈沖能量。由于MOV與電源線接觸，因此請使用UL / IEC認證的組件。 

您要考慮的第三個保護元件是瞬態電壓抑制器（TVS）二極管，以保護下游電路免受瞬態電壓的影響。TVS二極管對瞬態的響應非?？?，不到1 ps。抑制瞬變時，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，電機驅動器和圖像傳感器接口供電。我們建議為此電路同時使用電流過載保護和瞬態電壓保護?？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。控制板包括MCU，視頻存儲器和有線接口電路，該接口電路使用PoE協議通過交流電源線傳輸信息?？刂瓢宓膬蓚€電路應具有保護組件。這兩個電路是有線接口和存儲電路。 

有線接口與外部環境連接，并應具有電流過載和瞬態電壓保護功能。與直流輸入級一樣，選擇常規保險絲或可復位保險絲進行電流過載保護。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線路免受ESD和其他高壓瞬變的影響。

圖4顯示了一個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協議發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 

電機驅動塊具有一個搖攝和俯仰電機電路，可將攝像機定位以跟蹤運動。對于此電路，我們建議使用一個控制組件，一個光電隔離的固態開關。光學隔離可防止電動機噪聲和瞬變回耦合到搖攝和傾斜控制電路中。固態開關可提供無跳動開關，以實現對電機的平穩控制。尋找具有零交叉開關的固態開關，以最大程度地減少電動機的啟動瞬變。另外，尋找具有限流功能的開關，以防止電機停轉。 

無線監控攝像頭

為了監視內部空間，無線安全攝像機體積很小，可以輕松放置在任何地方。有關示例無線攝像機，請參見圖5。圖6顯示了無線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線安全攝像機 

圖6.無線安全攝像機的框圖以及推薦的保護和感測組件 

適配器

USB適配器是無線安全攝像機的電源。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載和電壓瞬變的影響。與為有線安全攝像機供電的電源適配器類似，USB適配器應具有用于過流保護的保險絲，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協議，則USB Type-C高密度連接器需要進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生故障并過熱，則應監視電池組是否存在過電流情況。另外，電池管理單元和USB可能會受到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電流。PPTC保險絲將在不到一秒的時間內跳閘至200％的過載，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保護半導體組件。當節省PCB空間是一個重要的考慮因素時，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。  

無線介面

無線接口與外部無線設備（例如計算機，智能手機和移動平板電腦）進行通信。由于該電路暴露在內部環境中，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（通過空氣）和±8kV的人體接觸。此外，其低于0.2 pF的低電容不會降低信號傳輸或接收的性能。 

門鈴攝像頭

有線門鈴攝像頭已成為非常受歡迎的用于遠程查看訪客的產品。圖7顯示了一個示例門鈴攝像頭，圖8顯示了帶有建議的保護和控制組件的框圖。 

圖7.有線門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門鈴攝像頭的框圖 

供電單元

電源設備與來自交流電源線的降壓交流電壓接口，并且可能遭受電流過載和電壓瞬變，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載。為了防止AC線上的電壓瞬變，請選擇一個TVS二極管，該二極管可以吸收功率高達4 kW的瞬變?？紤]使用光隔離的固態繼電器來控制其他電路的電源，并防止噪聲和來自電源線的瞬變傳播到下游電路。  

電池組

電池組為控制板和用戶界面提供備用電源。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線相機中相同電路的相似組件來保護其免受過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。與無線攝像機中的電池組一樣，如果USB C型協議是設計要求，我們建議對USB電路進行熱感應。  

用戶界面

用戶界面會受到人為接觸的靜電放電的影響。使用TVS二極管來保護用戶界面不受ESD的影響。如果門鈴攝像機將在歐洲銷售，則需要在激活門鈴和攝像機之間進行切換，以符合歐洲隱私法規?？紤]使用固態繼電器來消除機械繼電器觸點彈跳和電磁干擾（EMI）的產生。 

控制板和無線接口

控制板和無線接口電路對門鈴攝像頭的作用與對無線攝像頭的作用相同。為無線攝像機中的這些電路推薦的保護組件將應用于門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大流行所帶來的“新常態”。他們將紅外熱感測技術添加到攝像機中，以便可以離散地監控家庭或企業訪客的溫度。溫度測量可能會成為未來智能家居安全系統的標準功能。隨著安全攝像機變得越來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發更可靠，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所示的兩個安全標準定義了對音頻/視頻通信技術設備和電池（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導致起火的危險；因此，監視這些類型的電池至關重要。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，并且產品的推出可能會延遲。  

表1.帶監控攝像頭的產品的安全標準

保護價值

通過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，您可以經濟高效地開發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。盡管某些技術的成本可能高于其他技術，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。選擇保護，控制和感應組件時，請充分利用組件制造商的工程專業知識。使用值得信賴的供應商可以節省您的時間和資源。  

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