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智能家居智能電源插座的安全性和可靠性設計

2021-06-29 來源:EEWORLD

本文為設計人員提供了用于電源插座設計的保護和低功耗控制元件的建議,它們既能防止過載損壞敏感電路,又能最大限度地提高器件效率。


無線通信、互聯網和電子電路的進步使智能設備的發展成為可能。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、環境控制和娛樂功能的智能設備在家庭中變得越來越普遍。非智能電源控制設備現在具有智能版本的示例包括調光器、電源插座和接地故障電路斷路器(GFCI)/電弧故障電路斷路器(AFCI)。


雖然非智能設備只能手動控制或始終運行,但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。智能設備是物聯網領域的組成部分,它響應來自個人計算機、平板電腦、智能手機或虛擬助理的控制。這些產品使用無線通信協議(如蜂窩、Wi-Fi或藍牙)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是安全和可靠的,這樣消費者就可以擁有高可靠性,而不會有服務中斷的風險。因此,這些設備需要過電壓保護和過電流保護來維持運行,即使在遭受各種環境危害(如雷電浪涌、感應電涌、靜電放電(ESD)和電快速瞬變)的情況下也是如此。本文為設計人員提供了保護和低功耗控制元件的建議,這些元件既能防止過載損壞敏感電路,又能最大限度地提高器件效率。


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上,并受到交流電源線上可能出現的過電流和瞬態過電壓條件的影響。諸如雷擊、負載浪涌引起的電源線電壓變化、電機開啟或關閉引起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和有效控制調光器和智能電源插座的保護和控制元件。

 

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圖1.推薦用于智能調光器和智能電源插座的保護和控制元件。


智能調光器的保護和控制元件


調光器是控制家中燈具照明的常用設備。智能調光器可以對燈具或一組燈進行精確的遠程控制或定時控制。圖2顯示了電子調光器開關的框圖,并顯示了使用推薦保護和控制元件的具體電路模塊。

 

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圖2.智能調光器的方框圖。推薦用于電路模塊的安全和控制元件選項顯示在方框圖旁邊的列表中。


交流輸入保護電路


交流輸入保護電路模塊直接與交流電源線連接,需要過電流和瞬態電壓保護。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。我們建議使用慢熔熔斷器,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。熔斷器的額定電壓應超過額定交流線路電壓。


熔斷器的一個關鍵參數是中斷額定值。請確保所選的熔斷器在大的過載時不會融化或蒸發。估計電源線的最大電流輸出,并選擇一個中斷額定值超過您估計的潛在可用電流的熔斷器。熔斷器的中斷額定值可以是10到100千安培(kA)。


為了防止交流輸入保護電路在交流線路上發生瞬變,我們建議使用金屬氧化物壓敏電阻(MOV)。MOV能承受瞬態產生的最大電壓,并能吸收由瞬態電壓引起的電流浪涌。我們建議您考慮MOV,它能吸收10000安培的電流脈沖和400焦耳的瞬態能量。良好的設計實踐是將MOV放置在盡可能靠近印刷電路板輸入的位置,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,具體取決于電路遭受正向和負向瞬變的可能性。 TVS二極管對瞬態的響應非常快,不到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。最大限度地降低功耗可最大限度地提高電路效率,并最大限度地減少調光器中的熱量積聚。我們建議使用具有低保持電流的三端雙向可控硅(晶閘管)。


雙向晶閘管的保持電流低于10毫安。它們還可以在結溫超過100℃時安全運行。為了進一步提高效率,可以考慮使用MOSFET來控制雙向晶閘管的功率。選擇具有低于0.5Ω的低RDS(on)電阻和快速開關時間的功率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,以控制高端和低端功率MOSFET,并最大限度地提高其開關速度。選擇具有足夠載流量的柵極驅動器來驅動MOSFET。最后,使用MOV保護此電路不受開關電路的線路電壓浪涌的影響,該MOV可以承受和交流輸入保護電路建議的MOV類似的額定電壓。

 

無線通信電路


無線通信電路使用無線LAN(Wi-Fi)協議與個人計算機,平板電腦或智能手機進行通信,用來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。

  

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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,兩種元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,任何一種器件都將承受±12 kV ESD沖擊。


本地開關


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,該電路與外部環境連接,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元件。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元件


圖4說明了智能插座中的電路模塊以及提供保護和有效控制的推薦元件。與智能調光開關一樣,智能插座也有交流輸入模塊、交流-直流轉換電源模塊、無線通信電路和手動開關控制電路。


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圖4.智能插座方框圖顯示了需要保護和控制元件的位置。表中列出了推薦的元件選項。


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,像調光開關的交流輸入保護模塊一樣,會經受大的過電流浪涌和高過電壓瞬變,這些瞬變會在電源線上感應和傳播。因此,智能插座電路的交流輸入需要一個熔斷器,一個MOV和一個TVS二極管,其特性與為調光器輸入電路推薦的特性相同。


電源


考慮到智能插座的空間和效率,建議使用開關電源來產生控制電路所需的直流電壓。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0.5V的低正向壓降,并且可以在較高的開關頻率下工作,從而使小型、節省空間的設計能夠以高效率運行。


無線通信與本地On/Off開關


與智能調光器開關一樣,無線通信和本地on/off開關電路也暴露在外部環境中,并容易受到ESD沖擊。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插座一直用于保護個人免受潮濕環境的影響。《國家電氣規程》和《加拿大電氣規程》分別從2014年和2015年起要求在新建住宅設施和住宅時使用AFCI。當輸在帶電線路上的負載電流不返回中性線時,GFCI就會進行感應。


如果電流不平衡超過預定的跳閘水平,GFCI會切斷插座的電源,以防止觸電危險。AFCI檢測到電弧狀況,并切斷電源插座以防止起火。圖5顯示了推薦用于GFCI、AFCI和帶USB充電端口的電源插座的保護和控制元件。

 

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圖5.GFCI、AFCI和USB充電插座的推薦保護和控制元件

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圖6.GFCI或AFCI的方框圖。相鄰的表列出了推薦的保護和控制元件。


觸發電路


每個器件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是一款可靠耐用的元件,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元件。


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性。由于插座提供直流充電電流,因此用戶不需要USB電源適配器模塊。 USB插座需要與與交流電源線接口的其它智能設備相同的熔斷和瞬態電壓保護。圖7顯示了具有USB充電端口的USB電源插座的方框圖。

 

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圖7.USB插座的方框圖。推薦的保護和控制元件顯示在相鄰列表中。


USB插座中的開關電路為插座提供直流輸出。通過使用低正向電壓,肖特基二極管和高頻開關設計,您可以使該電路的效率最大化。此外,可以考慮使用功率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。


符合安全標準


由于每個智能插座都與交流電源線相連,因此它們必須符合美國保險商實驗室(UL)和國際電工委員會(IEC)頒布的適用的國家和國際安全標準。適用于各種智能插座的標準如圖8和表1所示。


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圖8.適用于調光器和電源插座的安全和ESD標準


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表1.電源插座適用的國家和國際標準及合規性一覽表

 

我們建議將這些標準的要求包括在產品定義中,以便在設計項目期間經濟高效地設計保護元件。選擇交流電源線路徑中的UL認可的保護元件。基于標準要求的設計和測試以及使用UL認可的元件的結合,既減少了認證時間,又避免了認證失敗。


保護和控制元件的價值


物聯網技術的進步被融入到了智能插座等新產品中,使家更安全、更環保、更方便。為了確保成功采用這些智能產品,它們必須魯棒,可靠和安全。設計人員可以通過確保其設計具有過電流保護,過電壓保護和低功耗控制元件來確保產品魯棒和可靠。

通過利用這些元件制造商(例如Littelfuse)的應用專業知識,設計人員還可以節省大量時間和精力,Littelfuse可以幫助設計人員提供有關電路配置,安全標準知識和元件選擇的建議。您的努力將使產品在可靠性,安全性和收入增長方面贏得聲譽。

更多資源


有關Littelfuse電路保護解決方案的更多信息,請參考以下文檔:


? 熔斷學選擇指南

? 電路保護產品選擇指南

? 靜電放電(ESD)抑制設計指南


或聯系Littelfuse獲得應用專家的設計幫助。



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