在智能(néng)家居的智能(néng)電(diàn)源插座中设计安全性和可(kě)靠性

2021-02-26

无線(xiàn)通信，互联网和電(diàn)子電(diàn)路的进步推动了智能(néng)设备的发展。通过使用(yòng)物(wù)联网（IoT）技术，非智能(néng)设备正在演变為(wèi)智能(néng)设备。提供電(diàn)源控制，安全性，环境控制和娱乐的智能(néng)设备在家庭中正变得越来越普遍。现在具有(yǒu)智能(néng)版本的非智能(néng)電(diàn)源控制设备的示例包括调光器，電(diàn)源插座和接地故障電(diàn)路断流器（GFCI）/電(diàn)弧故障電(diàn)路断流器（AFCI）。

非智能(néng)设备只能(néng)手动控制或始终通電(diàn)，而智能(néng)设备具有(yǒu)允许自动控制和状态反馈的電(diàn)子设备和固件。智能(néng)设备是IoT域的组成部分(fēn)，可(kě)以响应来自个人计算机，平板電(diàn)脑，智能(néng)手机或虚拟助手的控制。这些产品使用(yòng)诸如蜂窝，Wi-Fi或蓝牙之类的无線(xiàn)通信协议访问智能(néng)设备。

安全性和可(kě)靠性设计 

设计人员面临的挑战是确保这些新(xīn)的智能(néng)设备安全可(kě)靠，从而使消费者在不中断服務(wù)风险的情况下具有(yǒu)较高的可(kě)靠性。因此，即使遭受雷電(diàn)浪涌，感应電(diàn)涌，静電(diàn)放電(diàn)（ESD）和電(diàn)快速瞬变等各种环境危害，这些设备也需要过压保护和过流保护来维持运行。本文(wén)為(wèi)设计人员提供了保护和低功耗控制组件的建议，它们既可(kě)以防止过载损坏敏感電(diàn)路，又(yòu)可(kě)以最大程度地提高器件效率。  

保护智能(néng)调光器和電(diàn)源插座

调光器和電(diàn)源插座连接到交流電(diàn)源線(xiàn)，并且容易受到交流線(xiàn)上可(kě)能(néng)发生的过電(diàn)流和瞬态过電(diàn)压的影响。雷击，负载浪涌引起的電(diàn)源線(xiàn)電(diàn)压变化，電(diàn)机开启或关闭产生的感应瞬变以及静電(diàn)放電(diàn)（ESD）等瞬变会损坏控制智能(néng)调光器和智能(néng)電(diàn)源插座的電(diàn)子電(diàn)路。

图1显示了推荐用(yòng)于保护電(diàn)子電(diàn)路并有(yǒu)效控制调光器和智能(néng)電(diàn)源插座的保护和控制组件。 

图1.用(yòng)于智能(néng)调光器和智能(néng)電(diàn)源插座的推荐保护和控制组件。 

智能(néng)调光器的保护和控制组件

调光器是用(yòng)于控制家庭照明设备的照明的常用(yòng)物(wù)品。智能(néng)调光器可(kě)对灯具或一组灯具进行精确的遠(yuǎn)程控制或定时控制。图2显示了電(diàn)子调光开关的框图，并显示了使用(yòng)推荐的保护和控制组件的特定電(diàn)路块。  

图2.智能(néng)调光器的框图。推荐给電(diàn)路块的安全和控制组件选项显示在框图旁边的列表中。 

交流输入保护電(diàn)路

交流输入保护電(diàn)路块直接与交流市電(diàn)電(diàn)源線(xiàn)连接，并且需要过流保护和瞬态電(diàn)压保护。设计人员应对模块进行熔断，以防止过電(diàn)流导致对下游電(diàn)路模块的损坏。我们建议使用(yòng)慢熔保险丝，其大小(xiǎo)应避免由于浪涌電(diàn)流（例如来自开关電(diàn)源）而造成不必要的停机。保险丝的额定電(diàn)压应超过额定交流線(xiàn)路電(diàn)压。

保险丝的关键参数是其中断额定值。确保所选的保险丝在大过载时不会融化或蒸发。估算電(diàn)源線(xiàn)的最大電(diàn)流容量，然后选择断续额定值超过您对潜在可(kě)用(yòng)電(diàn)流的估算值的保险丝。保险丝的断续额定值可(kě)能(néng)為(wèi)100千安培（kA）的10s。 

為(wèi)了保护交流输入保护電(diàn)路免受交流線(xiàn)路上的瞬变影响，我们建议使用(yòng)金属氧化物(wù)压敏電(diàn)阻（MOV）。MOV可(kě)以承受瞬态的最大電(diàn)压，并且可(kě)以吸收瞬态電(diàn)压引起的電(diàn)流浪涌。我们建议您考虑一个MOV，它吸收多(duō)达10,000 A的電(diàn)流脉冲和来自瞬变的400 J能(néng)量。良好的设计习惯是将MOV放置在尽可(kě)能(néng)靠近印刷電(diàn)路板输入端的位置，以防止瞬变传播到電(diàn)路中。

在交流输入保护電(diàn)路的次级侧，使用(yòng)瞬态電(diàn)压抑制二极管（TVS）保护下游的次级電(diàn)路。您可(kě)以选择单向或双向二极管，具體(tǐ)取决于電(diàn)路可(kě)能(néng)遭受正向和负向瞬变的可(kě)能(néng)性。TVS二极管对瞬态的响应非常快，不到1 ps。它们可(kě)以吸收1500 W的峰值脉冲功率，并具有(yǒu)低钳位電(diàn)压，以保护低压電(diàn)子電(diàn)路。  

开关電(diàn)路

开关電(diàn)路控制到灯具的输出。最小(xiǎo)化功耗可(kě)最大程度地提高電(diàn)路效率，并最大程度地减少调光器中的热量积聚。我们建议使用(yòng)保持電(diàn)流小(xiǎo)的TRIAC（晶闸管）。

TRIAC的保持電(diàn)流低于10 mA。它们还可(kě)以在超过100°C的结温下安全运行。為(wèi)了进一步提高效率，请考虑使用(yòng)MOSFET来控制TRIAC的功率。选择低RDS（on）電(diàn)阻低于0.5Ω且开关时间短的功率MOSFET，以减少器件转换期间的功率损耗和MOSFET处于导通状态时的功耗。

您可(kě)以使用(yòng)单芯片栅极驱动器简化驱动MOSFET的管理(lǐ)。栅极驱动器芯片可(kě)以包含两个驱动放大器，以控制高端，低端功率MOSFET并最大化其开关速度。选择具有(yǒu)足够電(diàn)流容量的栅极驱动器来驱动MOSFET。最后，用(yòng)MOV保护该電(diàn)路免受線(xiàn)電(diàn)压浪涌的影响，该電(diàn)压会传播到开关電(diàn)路中，该MOV可(kě)以承受与推荐用(yòng)于AC输入保护電(diàn)路的MOV相似的量。    

无線(xiàn)通讯電(diàn)路

无線(xiàn)通信電(diàn)路使用(yòng)无線(xiàn)LAN（Wi-Fi）协议与PC，平板電(diàn)脑或智能(néng)手机进行通信，以对调光器进行遠(yuǎn)程控制。该電(diàn)路与外部环境连接，并受到ESD的影响，这主要是由智能(néng)调光器的用(yòng)户引起的。

我们建议使用(yòng)双向TVS二极管阵列（如图3所示）或聚合物(wù)ESD保护器件来保护无線(xiàn)通信電(diàn)路。  

图3.具有(yǒu)两个背对背二极管的双向TVS二极管阵列    

由于電(diàn)容小(xiǎo)于1 pF，这两种器件都可(kě)以保护I / O端口，而对電(diàn)路性能(néng)的影响最小(xiǎo)。而且，两个组件都采用(yòng)表面贴装封装，以节省有(yǒu)限的印刷電(diàn)路板空间。此外，它们汲取的漏電(diàn)流低于1 µA，从而降低了電(diàn)路的功率负载。最重要的是，根据IEC 61000-4-2 ESD标准，任何一种设备都将承受±12 kV ESD冲击。   

本地交换机

本地开关允许用(yòng)户手动控制调光器的输出功率。像无線(xiàn)通信電(diàn)路一样，该電(diàn)路与外部环境对接，并且很(hěn)容易受到ESD冲击。该電(diàn)路需要与无線(xiàn)通信電(diàn)路相同的保护组件。同样，选择二极管阵列或聚合物(wù)ESD保护器件。 

智能(néng)插座的保护和控制组件

图4说明了智能(néng)插座中的電(diàn)路块以及提供保护和有(yǒu)效控制的推荐组件。与智能(néng)调光器开关一样，智能(néng)插座具有(yǒu)交流输入块，交流-直流转换電(diàn)源块，无線(xiàn)通信電(diàn)路和手动开关控制電(diàn)路。 

图4.智能(néng)插座框图，显示需要保护和控制组件的位置。该表列出了推荐的组件选项。   

交流输入保护和整流 

交流输入和保护電(diàn)路连接到交流電(diàn)源線(xiàn)，并且像调光开关的交流输入保护块一样，会经受大的过電(diàn)流浪涌和高的过電(diàn)压瞬变，这些瞬变会在電(diàn)源線(xiàn)上感应和传播。因此，智能(néng)插座電(diàn)路的AC输入需要一个保险丝，一个MOV和一个TVS二极管，其特性与调光器输入電(diàn)路推荐的特性相同。  

電(diàn)源 

智能(néng)插座中出于空间和效率方面的考虑，建议使用(yòng)开关電(diàn)源来生成控制電(diàn)路所需的DC電(diàn)压。我们建议通过高频设计来最大程度地提高效率。考虑在電(diàn)路中使用(yòng)肖特基整流二极管。这些器件具有(yǒu)通常低于0.5 V的低正向压降，并且可(kě)以在高开关频率下工作，从而实现了小(xiǎo)巧，节省空间的设计，可(kě)以高效地工作。 

无線(xiàn)通信和本地开/关开关

与智能(néng)调光器开关一样，无線(xiàn)通信和本地开/关开关電(diàn)路也暴露在外部环境中，并容易受到ESD冲击。使用(yòng)TVS二极管阵列或聚合物(wù)ESD抑制器保护这些電(diàn)路免受ESD的影响。 

保护GFCI，AFCI插座和USB電(diàn)源插座

自1970年代以来，GFCI出口已开始用(yòng)于保护个人免受潮湿环境的侵害。自2014年和2015年以来，《國(guó)家電(diàn)气法规》和《加拿(ná)大電(diàn)气法规》分(fēn)别要求在住宅设施和房屋的新(xīn)建建筑中使用(yòng)AFCI。GFCI感测何时在热線(xiàn)上传递的负载電(diàn)流不在中性線(xiàn)上返回。

如果電(diàn)流不平衡量超过预定的跳闸水平，则GFCI会断开電(diàn)源，以防止触電(diàn)危险。AFCI会检测到電(diàn)弧情况，并从插座上拔下電(diàn)源以防止起火。图5显示了GFCI，AFCI和带有(yǒu)USB充電(diàn)端口的電(diàn)源插座的推荐保护和控制组件。 

图5.推荐用(yòng)于GFCI，AFCI和USB充電(diàn)插座的保护和控制组件。

图6显示了GFCI和AFCI中的電(diàn)路块。GFCI具有(yǒu)電(diàn)流不平衡检测電(diàn)路，而AFCI具有(yǒu)電(diàn)弧检测電(diàn)路。与智能(néng)调光器和智能(néng)插座一样，这两个设备都连接到交流電(diàn)源線(xiàn)，并且需要过電(diàn)流和瞬态電(diàn)压保护。

图6. GFCI或AFCI的框图。下表列出了推荐的保护和控制组件。 

点火電(diàn)路

这些设备中的每一个都需要一个電(diàn)路来控制继電(diàn)器，该電(diàn)路可(kě)能(néng)会中断插座電(diàn)源。那就是触发電(diàn)路。我们建议您考虑使用(yòng)SCR来控制机電(diàn)继電(diàn)器。借助SCR，您可(kě)以设计出既高效又(yòu)紧凑的简单控制電(diàn)路。SCR是一款坚固耐用(yòng)的组件，可(kě)以承受高达100 A的相当大的電(diàn)流浪涌，并可(kě)以支持600 V以上的電(diàn)压。如果继電(diàn)器線(xiàn)圈的功耗很(hěn)低，则可(kě)以使用(yòng)表面贴装型组件。   

USB插座

USB插座提供了使用(yòng)USB電(diàn)缆為(wèi)便携式设备供電(diàn)或重新(xīn)充電(diàn)的便利。由于插座提供直流充電(diàn)電(diàn)流，因此用(yòng)户不需要USB電(diàn)源适配器块。USB插座需要与与交流電(diàn)源線(xiàn)接口的其他(tā)智能(néng)设备相同的熔断和瞬态電(diàn)压保护。图7示出了具有(yǒu)USB充電(diàn)端口的USB電(diàn)源插座的框图。 

图7. USB插座的框图。推荐的保护和控制组件在旁边的列表中显示。 

USB插座中的开关電(diàn)路為(wèi)插座提供DC输出。通过使用(yòng)低正向電(diàn)压，肖特基二极管和高频开关设计，可(kě)以使该電(diàn)路的效率最大化。此外，考虑使用(yòng)功率MOSFET和集成的栅极驱动器来进一步提高直流功率控制電(diàn)路的效率。