智能(néng)家居安全应用(yòng)的電(diàn)路保护，控制和传感设计注意事项

2021-02-26

物(wù)联网技术的进步推动了智能(néng)家庭安全系统的开发，该系统可(kě)為(wèi)消费者提供安全性，便利性和能(néng)源效率。新(xīn)的传感技术和无線(xiàn)协议（例如无線(xiàn)LAN（Wi-Fi））创建了各种各样的设备，可(kě)以监视和控制安全设备，访问控制设备，设备，能(néng)源管理(lǐ)设备，電(diàn)源插座，照明和娱乐系统。图1说明了支持智能(néng)家居的IoT技术的广度。 

图1.智能(néng)家居技术的优势包括娱乐，電(diàn)器，访问，電(diàn)源，能(néng)源以及安全性的控制。 

智能(néng)家居安防市场是一个动态的市场。住宅安全摄像机的单位出货量预计将从2018年的5400万台增長(cháng)到2023年的1.2亿台。这意味着17％的大幅复合年增長(cháng)率（CAGR）。在这个市场上有(yǒu)大量的创新(xīn)和新(xīn)产品的机会。 

可(kě)靠性等于安全性

為(wèi)了赢得市场份额，智能(néng)家居安防产品将需要高度可(kě)靠。随着越来越多(duō)的供应商(shāng)进入市场并且产品差异缩小(xiǎo)，产品质量将成為(wèi)消费者的更大决定因素。因此，产品将需要对过载和瞬变具有(yǒu)鲁棒性。以下各段将為(wèi)家庭安全系统的设计人员提供有(yǒu)关使用(yòng)和选择保护和控制其電(diàn)路的组件的建议。将介绍用(yòng)于保护以下产品的组件：

有(yǒu)線(xiàn)和无線(xiàn)监控摄像头

有(yǒu)線(xiàn)门铃摄像头 

有(yǒu)線(xiàn)监控摄像头

有(yǒu)線(xiàn)安全摄像机系统通常是固定安装的安全系统，用(yòng)于监视住宅周围的區(qū)域。图2显示了有(yǒu)線(xiàn)安全摄像机以及用(yòng)于保护和控制摄像机的推荐组件。这些摄像机由交流電(diàn)源線(xiàn)供電(diàn)，并且会受到交流電(diàn)源線(xiàn)上传播的过载和瞬变的影响。此外，所有(yǒu)与外部环境的连接均会受到静電(diàn)放電(diàn)（ESD）的影响。

设计人员将需要保护其相机電(diàn)路免受这些危险条件的损害。图3显示了有(yǒu)線(xiàn)安全摄像机以及為(wèi)确保产品坚固而推荐使用(yòng)的保护和控制组件的框图。 

图2.有(yǒu)線(xiàn)安全摄像机示例以及推荐的保护和控制组件 

图3.有(yǒu)線(xiàn)安全摄像机框图，显示電(diàn)路及其推荐的保护和控制组件。  

電(diàn)源适配器

電(diàn)源适配器与交流電(diàn)源線(xiàn)连接，并且需要保护以防止電(diàn)源線(xiàn)電(diàn)流浪涌和電(diàn)压瞬变。我们建议使用(yòng)保险丝进行过载保护，使用(yòng)金属氧化物(wù)变阻器（MOV）来保护瞬态電(diàn)流浪涌，并使用(yòng)瞬态電(diàn)压抑制器（TVS）二极管来保护瞬态電(diàn)压。这三个组件以及為(wèi)您的设计细节选择的参数，将确保電(diàn)源适配器对过载和瞬变具有(yǒu)鲁棒性。 

选择慢熔保险丝，以避免由于切换電(diàn)源浪涌電(diàn)流而造成保险丝开裂。但是，為(wèi)避免损坏電(diàn)源适配器電(diàn)路，请选择能(néng)够对连续过载（例如在几秒(miǎo)钟内达到200％过载）快速响应的保险丝。选择保险丝时，请不要忽略其他(tā)关键参数。验证保险丝的额定電(diàn)压是否超过電(diàn)源可(kě)以看到的最大線(xiàn)路電(diàn)压。另外，请确保中断额定值高于電(diàn)路可(kě)能(néng)遇到的最坏情况下的電(diàn)流过载。

适当的中断额定值将避免由于交流線(xiàn)路产生较大的瞬时过载而对保险丝造成物(wù)理(lǐ)损坏。由于電(diàn)源空间有(yǒu)限，因此请寻找满足要求的小(xiǎo)型保险丝。最后，使用(yòng)具有(yǒu)UL / IEC认证的保险丝来简化并加快产品安全合规性鉴定。

例如，对于雷電(diàn)引起的大的高能(néng)量浪涌，请使用(yòng)金属氧化物(wù)变阻器（MOV）来保护電(diàn)源，该金属变阻器的位置应尽可(kě)能(néng)靠近電(diàn)源的输入。MOV可(kě)以吸收高达10 kA的浪涌電(diàn)流，并且可(kě)以吸收超过500 J的峰值脉冲能(néng)量。由于MOV与電(diàn)源線(xiàn)接触，因此请使用(yòng)UL / IEC认证的组件。 

您要考虑的第三个保护元件是瞬态電(diàn)压抑制器（TVS）二极管，以保护下游電(diàn)路免受瞬态電(diàn)压的影响。TVS二极管对瞬态的响应非常快，不到1 ps。抑制瞬变时，TVS二极管将其输出钳位在低電(diàn)压，以保护敏感電(diàn)路。TVS二极管有(yǒu)单向或双向版本，其钳位電(diàn)压范围很(hěn)广，可(kě)低至10V。  

直流输入级

直流输入级提供直流電(diàn)压，為(wèi)控制板，電(diàn)机驱动器和图像传感器接口供電(diàn)。我们建议為(wèi)此電(diàn)路同时使用(yòng)電(diàn)流过载保护和瞬态電(diàn)压保护。可(kě)以选择使用(yòng)常规保险丝或可(kě)重置的聚合物(wù)正温度系数（PPTC）保险丝。这两种类型的保险丝均具有(yǒu)表面贴装版本，因此占用(yòng)的PCB空间最小(xiǎo)。TVS二极管还提供节省空间的表面安装封装，可(kě)承受高达5000 W峰值脉冲功率的瞬变。 

控制板

控制板包含用(yòng)于摄像头電(diàn)路的智能(néng)。控制板包括MCU，视频存储器和有(yǒu)線(xiàn)接口電(diàn)路，该接口電(diàn)路使用(yòng)PoE协议通过交流電(diàn)源線(xiàn)传输信息。控制板的两个電(diàn)路应具有(yǒu)保护组件。这两个電(diàn)路是有(yǒu)線(xiàn)接口和存储電(diàn)路。 

有(yǒu)線(xiàn)接口与外部环境连接，并应具有(yǒu)電(diàn)流过载和瞬态電(diàn)压保护功能(néng)。与直流输入级一样，选择常规保险丝或可(kě)复位保险丝进行電(diàn)流过载保护。為(wèi)了防止電(diàn)压瞬变，我们建议使用(yòng)特殊组件TVS二极管阵列。TVS二极管阵列可(kě)保护PoE I / O線(xiàn)路免受ESD和其他(tā)高压瞬变的影响。

图4显示了一个双向二极管与齐纳二极管的组合，可(kě)承受±30 kV ESD冲击。这些二极管具有(yǒu)低的1pF /端口電(diàn)容，可(kě)将其对POE协议发送和接收信号的影响降至最低。如图4所示的二极管阵列配置可(kě)采用(yòng)表面贴装封装，它们占用(yòng)的PCB空间最少。  

图4.设计用(yòng)于多(duō)个I / O端口的ESD保护的TVS二极管阵列  

SD卡保存相机获取的数据。我们建议使用(yòng)TVS二极管来保护此重要電(diàn)路免受高达±30 kV的ESD的影响。TVS二极管的泄漏電(diàn)流低于1 µA，可(kě)降低功耗。 

马达驱动 

電(diàn)机驱动块具有(yǒu)一个摇摄和俯仰電(diàn)机電(diàn)路，可(kě)将摄像机定位以跟踪运动。对于此電(diàn)路，我们建议使用(yòng)一个控制组件，一个光電(diàn)隔离的固态开关。光學(xué)隔离可(kě)防止電(diàn)动机噪声和瞬变回耦合到摇摄和倾斜控制電(diàn)路中。固态开关可(kě)提供无跳动开关，以实现对電(diàn)机的平稳控制。寻找具有(yǒu)零交叉开关的固态开关，以最大程度地减少電(diàn)动机的启动瞬变。另外，寻找具有(yǒu)限流功能(néng)的开关，以防止電(diàn)机停转。 

无線(xiàn)监控摄像头

為(wèi)了监视内部空间，无線(xiàn)安全摄像机體(tǐ)积很(hěn)小(xiǎo)，可(kě)以轻松放置在任何地方。有(yǒu)关示例无線(xiàn)摄像机，请参见图5。图6显示了无線(xiàn)摄像机的框图以及该设备的推荐保护和控制组件。  

图5.带有(yǒu)推荐保护组件的示例无線(xiàn)安全摄像机 

图6.无線(xiàn)安全摄像机的框图以及推荐的保护和感测组件 

适配器

USB适配器是无線(xiàn)安全摄像机的電(diàn)源。由于USB适配器连接到交流電(diàn)源，因此必须保护其免受電(diàn)流过载和電(diàn)压瞬变的影响。与為(wèi)有(yǒu)線(xiàn)安全摄像机供電(diàn)的電(diàn)源适配器类似，USB适配器应具有(yǒu)用(yòng)于过流保护的保险丝，用(yòng)于雷击的MOV和用(yòng)于ESD保护的TVS二极管。

如果设计将使用(yòng)USB Type-C协议，则USB Type-C高密度连接器需要进行热感应以检测连接器引脚之间的短路。如果灰尘或污垢使连接器引脚附近短路，则符合USB Type-C设计的热敏元件将避免损坏電(diàn)缆和连接器。请参阅USB Type-C标准。2纠正引起温度升高的问题后，传感元件将以低電(diàn)阻复位。 

電(diàn)池组

如果電(diàn)池单元在短路情况下发生故障并过热，则应监视電(diàn)池组是否存在过電(diàn)流情况。另外，電(diàn)池管理(lǐ)单元和USB可(kě)能(néng)会受到ESD的影响。我们建议使用(yòng)可(kě)复位保险丝，即PPTC表面贴装保险丝，以防止由于電(diàn)池故障导致的过電(diàn)流。PPTC保险丝将在不到一秒(miǎo)的时间内跳闸至200％的过载，以防止一块短路的電(diàn)池对多(duō)块電(diàn)池造成损坏。 

電(diàn)池管理(lǐ)单元和USB電(diàn)路应具有(yǒu)ESD保护。我们建议使用(yòng)具有(yǒu)低钳位電(diàn)压的多(duō)层金属氧化物(wù)压敏電(diàn)阻来保护半导體(tǐ)组件。当节省PCB空间是一个重要的考虑因素时，可(kě)以部署节省空间的0402表面贴装封装的多(duō)层MOV版本。 

如果USB電(diàn)路符合USB Type-C协议，则应使用(yòng)与USB适配器推荐的热感应元件相同的热感应元件来保护USB電(diàn)路中的配对USB插座。在我们的设计和安装指南中，有(yǒu)关于将热敏指示器设计為(wèi)USB C型電(diàn)路的更多(duō)详细信息。3  

控制板 

控制板包含用(yòng)于控制摄像机并保存视频数据的数字電(diàn)子设备。控制板需要针对瞬态和ESD的保护。对于此電(diàn)路，我们建议使用(yòng)耐压达30 kV的齐纳TVS二极管。TVS二极管的泄漏電(diàn)流低于0.5 µA，可(kě)从電(diàn)路中汲取最少的功率。二极管还占用(yòng)少量PCB空间，可(kě)以容纳在0201表面贴装封装中。  

无線(xiàn)介面

无線(xiàn)接口与外部无線(xiàn)设备（例如计算机，智能(néng)手机和移动平板電(diàn)脑）进行通信。由于该電(diàn)路暴露在内部环境中，因此该電(diàn)路容易受到ESD的影响。在这种情况下，请考虑使用(yòng)聚合物(wù)ESD抑制器。聚合物(wù)ESD抑制器可(kě)保护電(diàn)路免受高达+/- 15 kV的ESD冲击（通过空气）和±8kV的人體(tǐ)接触。此外，其低于0.2 pF的低電(diàn)容不会降低信号传输或接收的性能(néng)。 

门铃摄像头

有(yǒu)線(xiàn)门铃摄像头已成為(wèi)非常受欢迎的用(yòng)于遠(yuǎn)程查看访客的产品。图7显示了一个示例门铃摄像头，图8显示了带有(yǒu)建议的保护和控制组件的框图。 

图7.有(yǒu)線(xiàn)门铃摄像头示例以及推荐的保护和控制解决方案 

图8.带有(yǒu)建议的保护和控制组件的有(yǒu)線(xiàn)门铃摄像头的框图 

供電(diàn)单元

電(diàn)源设备与来自交流電(diàn)源線(xiàn)的降压交流電(diàn)压接口，并且可(kě)能(néng)遭受電(diàn)流过载和電(diàn)压瞬变，例如雷電(diàn)引起的瞬变。与其他(tā)電(diàn)源電(diàn)路一样，保险丝可(kě)以防止電(diàn)流过载。為(wèi)了防止AC線(xiàn)上的電(diàn)压瞬变，请选择一个TVS二极管，该二极管可(kě)以吸收功率高达4 kW的瞬变。考虑使用(yòng)光隔离的固态继電(diàn)器来控制其他(tā)電(diàn)路的電(diàn)源，并防止噪声和来自電(diàn)源線(xiàn)的瞬变传播到下游電(diàn)路。  

電(diàn)池组

電(diàn)池组為(wèi)控制板和用(yòng)户界面提供备用(yòng)電(diàn)源。電(diàn)池组及其子单元，電(diàn)池管理(lǐ)单元和USB電(diàn)路需要使用(yòng)推荐用(yòng)于无線(xiàn)相机中相同電(diàn)路的相似组件来保护其免受过電(diàn)流情况和瞬变的影响。添加TVS二极管将确保抑制電(diàn)压瞬变和ESD冲击。与无線(xiàn)摄像机中的電(diàn)池组一样，如果USB C型协议是设计要求，我们建议对USB電(diàn)路进行热感应。  

用(yòng)户界面

用(yòng)户界面会受到人為(wèi)接触的静電(diàn)放電(diàn)的影响。使用(yòng)TVS二极管来保护用(yòng)户界面不受ESD的影响。如果门铃摄像机将在欧洲销售，则需要在激活门铃和摄像机之间进行切换，以符合欧洲隐私法规。考虑使用(yòng)固态继電(diàn)器来消除机械继電(diàn)器触点弹跳和電(diàn)磁干扰（EMI）的产生。 

控制板和无線(xiàn)接口

控制板和无線(xiàn)接口電(diàn)路对门铃摄像头的作用(yòng)与对无線(xiàn)摄像头的作用(yòng)相同。為(wèi)无線(xiàn)摄像机中的这些電(diàn)路推荐的保护组件将应用(yòng)于门铃摄像机中的相同電(diàn)路。 

COVID-19大流行影响安全摄像机的设计

一些安全摄像机制造商(shāng)正在适应COVID-19大流行所带来的“新(xīn)常态”。他(tā)们将红外热感测技术添加到摄像机中，以便可(kě)以离散地监控家庭或企业访客的温度。温度测量可(kě)能(néng)会成為(wèi)未来智能(néng)家居安全系统的标准功能(néng)。随着安全摄像机变得越来越复杂以包括健康安全的这一方面，结合适当的電(diàn)路保护有(yǒu)助于开发更可(kě)靠，更耐用(yòng)的设备。 

图9.安全摄像机添加了热扫描以监视COVID-19之后的體(tǐ)温 

家用(yòng)安全摄像机的适用(yòng)标准

表1所示的两个安全标准定义了对音频/视频通信技术设备和電(diàn)池（例如锂電(diàn)池）的要求。IEC 62368-1解决了监视设备的安全要求；第二标准IEC 62311-2规定了确保锂電(diàn)池和電(diàn)池组安全的要求。锂電(diàn)池的组装和操作不当会导致起火的危险；因此，监视这些类型的電(diàn)池至关重要。不遵守这些标准将导致重新(xīn)设计工作，并再次提交标准机构认证。项目成本将增加，并且产品的推出可(kě)能(néng)会延迟。  

表1.带监控摄像头的产品的安全标准

保护价值

通过将保护和感测组件作為(wèi)设计目标，并在项目早期将标准合规性纳入其中，您可(kě)以经济高效地开发出强大而可(kě)靠的智能(néng)家居安全系统。当然，您的设计始终是性能(néng)和总拥有(yǒu)成本之间的折衷方案。尽管某些技术的成本可(kě)能(néng)高于其他(tā)技术，但其他(tā)因素可(kě)能(néng)表明，最低的总拥有(yǒu)成本需要成本更高的组件技术。选择保护，控制和感应组件时，请充分(fēn)利用(yòng)组件制造商(shāng)的工程专业知识。使用(yòng)值得信赖的供应商(shāng)可(kě)以节省您的时间和资源。  

可(kě)靠性和效率提高了您的智能(néng)家居安全系统的声誉。高质量的声誉可(kě)以导致市场份额的增長(cháng)和收入的增長(cháng)。从而提高了盈利能(néng)力。