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

無線通信，互聯網和電子電路的進步推動了智能設備的發展。通過使用物聯網（IoT）技術，非智能設備正在演變為智能設備。提供電源控制，安全性，環境控制和娛樂的智能設備在家庭中正變得越來越普遍?，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控制或始終通電，而智能設備具有允許自動控制和狀態反饋的電子設備和固件。智能設備是IoT域的組成部分，可以響應來自個人計算機，平板電腦，智能手機或虛擬助手的控制。這些產品使用諸如蜂窩，Wi-Fi或藍牙之類的無線通信協議訪問智能設備。

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風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境危害，這些設備也需要過壓保護和過流保護來維持運行。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，并且容易受到交流線上可能發生的過電流和瞬態過電壓的影響。雷擊，負載浪涌引起的電源線電壓變化，電機開啟或關閉產生的感應瞬變以及靜電放電（ESD）等瞬變會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行精確的遠程控制或定時控制。圖2顯示了電子調光開關的框圖，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連接，并且需要過流保護和瞬態電壓保護。設計人員應對模塊進行熔斷，以防止過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（例如來自開關電源）而造成不必要的停機。保險絲的額定電壓應超過額定交流線路電壓。

保險絲的關鍵參數是其中斷額定值。確保所選的保險絲在大過載時不會融化或蒸發。估算電源線的最大電流容量，然后選擇斷續額定值超過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可以承受瞬態的最大電壓，并且可以吸收瞬態電壓引起的電流浪涌。我們建議您考慮一個MOV，它吸收多達10,000 A的電流脈沖和來自瞬變的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二極管對瞬態的響應非?？欤坏?span>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。  

開關電路

開關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100°C的結溫下安全運行。為了進一步提高效率，請考慮使用MOSFET來控制TRIAC的功率。選擇低RDS（on）電阻低于0.5Ω且開關時間短的功率MOSFET，以減少器件轉換期間的功率損耗和MOSFET處于導通狀態時的功耗。

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

無線通訊電路

無線通信電路使用無線LAN（Wi-Fi）協議與PC，平板電腦或智能手機進行通信，以對調光器進行遠程控制。該電路與外部環境連接，并受到ESD的影響，這主要是由智能調光器的用戶引起的。

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

圖3.具有兩個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

本地開關允許用戶手動控制調光器的輸出功率。像無線通信電路一樣，該電路與外部環境對接，并且很容易受到ESD沖擊。該電路需要與無線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。與智能調光器開關一樣，智能插座具有交流輸入塊，交流-直流轉換電源塊，無線通信電路和手動開關控制電路。 

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，并且像調光開關的交流輸入保護塊一樣，會經受大的過電流浪涌和高的過電壓瞬變，這些瞬變會在電源線上感應和傳播。因此，智能插座電路的AC輸入需要一個保險絲，一個MOV和一個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，建議使用開關電源來生成控制電路所需的DC電壓。我們建議通過高頻設計來最大程度地提高效率。考慮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，并且可以在高開關頻率下工作，從而實現了小巧，節省空間的設計，可以高效地工作。 

無線通信和本地開/關開關

與智能調光器開關一樣，無線通信和本地開/關開關電路也暴露在外部環境中，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，GFCI出口已開始用于保護個人免受潮濕環境的侵害。自2014年和2015年以來，《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感測何時在熱線上傳遞的負載電流不在中性線上返回。

如果電流不平衡量超過預定的跳閘水平，則GFCI會斷開電源，以防止觸電危險。AFCI會檢測到電弧情況，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，這兩個設備都連接到交流電源線，并且需要過電流和瞬態電壓保護。

圖6. GFCI或AFCI的框圖。下表列出了推薦的保護和控制組件。 

點火電路

這些設備中的每一個都需要一個電路來控制繼電器，該電路可能會中斷插座電源。那就是觸發電路。我們建議您考慮使用SCR來控制機電繼電器。借助SCR，您可以設計出既高效又緊湊的簡單控制電路。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，因此用戶不需要USB電源適配器塊。USB插座需要與與交流電源線接口的其他智能設備相同的熔斷和瞬態電壓保護。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插座中的開關電路為插座提供DC輸出。通過使用低正向電壓，肖特基二極管和高頻開關設計，可以使該電路的效率最大化。此外，考慮使用功率MOSFET和集成的柵極驅動器來進一步提高直流功率控制電路的效率。