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「行业文章」智能家居智能电源插座的安全性和可靠性设计

日期:2021年11月11日上午12:33

本文为设计人员提供了电源插座设计的保护和低功耗控制元件的建议,这些元件既能防止过载损坏敏感电路,又能最大限度地提高器件效率。

无线通信、互联网和电子电路的发展推动了智能设备的发展。物联网技术正在向智能设备(物联网)发展。提供电源控制、安全、环境控制和娱乐功能的智能设备在家庭中越来越普遍。现在有智能版本的非智能电源控制设备包括调光器、电源插座和接地故障电路中断器(GFCI)/电弧故障电路中断器(AFCI)。

虽然非智能设备只能手动控制或始终通电,但智能设备具有允许自动控制和状态反馈的电子设备和固件。智能设备是物联网领域的一个组成部分,对来自个人计算机、平板电脑、智能手机或虚拟助手的控制作出响应。这些产品使用无线通信协议(如蜂窝、Wi-Fi或蓝牙)访问智能设备。

安全可靠设计

设计者面临的挑战是确保这些新的智能设备安全可靠,这样消费者就可以在没有中断服务风险的情况下拥有高可靠性。因此,设备需要过电压保护和过电流保护,以维持运行,即使在受到广泛的环境危害时,如雷电冲击、感应功率浪涌、静电放电(ESD)和电快速瞬变。本文为设计者提供了保护和低功耗控制元件的建议,这些元件既能防止过载损坏敏感电路,又能最大限度地提高器件效率。

保护智能调光器和电源插座

调光器和电源插座连接到交流电源线上,并受到交流线路上可能出现的过电流和瞬时过电压条件的影响。诸如雷击、由负载浪涌引起的电源线电压变化、电机启动或关闭产生的感应瞬变以及静电放电(ESD)等瞬变会损坏控制智能调光器和智能电源插座的电子电路。

图1显示了为保护电子电路和有效控制调光器和智能电源插座而推荐的保护和控制组件。

图1智能灯调光器和智能电源插座的推荐保护和控制部件。

智能调光器的保护和控制部件

调光器是家庭中控制照明设备照明的常用设备。智能调光器允许精确遥控或定时控制灯具或一组灯。图2显示了电子调光开关的框图,并显示了使用推荐的保护和控制元件的具体电路块。

图2智能调光器的方框图。电路块建议的安全和控制部件选项如方框图旁边的列表所示。

交流输入保护电路

交流输入保护电路块直接与交流电源线连接,需要过电流和瞬态电压保护。设计人员应熔合电路板,以防止过电流对下游电路板造成损坏。我们建议使用慢熔断保险丝,以避免因开关电源等浪涌电流而造成故障停机。保险丝的额定电压应超过额定交流线路电压。

保险丝的一个关键参数是它的中断额定值。确保所选保险丝在大过载期间不会熔化或蒸发。估计电源线的最大电流容量,并选择中断额定值超过潜在可用电流的保险丝。额定电流为100kA的熔断器。

为了保护交流输入保护电路不受交流线路瞬变的影响,我们建议使用金属氧化物变阻器(MOV)。MOV能够承受瞬态的最大电压,并能吸收瞬态电压引起的电流浪涌。我们建议你考虑一个MOV,它能吸收10000 a的电流脉冲和400 J的瞬态能量。良好的设计实践是将MOV尽可能靠近pc板的输入,以防止瞬态传播到电路中。

在交流输入保护电路的二次侧,使用瞬态电压抑制二极管(TVS)保护下游次级电路。您可以选择单向或双向二极管,这取决于电路可能同时受到正和负瞬态的影响。TVS二极管对瞬态响应非常快,在1ps以下。它们可以吸收1500 W的峰值脉冲功率,并且具有低钳位电压以保护低压电子电路。

开关电路

开关电路控制灯具的输出。最大限度地降低功耗可以最大限度地提高电路的效率,并最大限度地减少调光器中的热量积聚。我们建议使用低保持电流的双向晶闸管。

双向晶闸管可用于保持电流低于10毫安。它们还可以在超过100°C的结温下安全运行。为了进一步提高效率,考虑使用MOSFET来控制TRIAC的功率。选择低RDS(on)电阻小于0.5Ω、开关时间快的功率MOSFET,以减少器件转换过程中的功率损耗和MOSFET处于导通状态时的功耗。

你可以用一个单片栅极驱动器来简化驱动mosfet的管理。栅极驱动芯片可以包含两个驱动放大器来控制高侧、低侧功率mosfet并使其开关速度最大化。选择一个具有足够电流容量的栅极驱动器来驱动mosfet。最后,用MOV保护电路不受已传播到开关电路的线电压浪涌的影响,MOV可以承受与建议用于交流输入保护电路的MOV相似的量。

无线通信电路

无线通信电路使用无线LAN(Wi-Fi)协议与PC、平板电脑或智能手机进行通信,以远程控制调光器。该电路与外部环境相连接,并受到静电放电的影响,主要由智能调光器的用户引起。

我们建议使用双向TVS二极管阵列(如图3所示)或聚合物ESD保护装置来保护无线通信电路。

图3两个背靠背二极管的双向TVS二极管阵列

这两种器件都可以保护I/O端口,由于电容低于1 pF,对电路性能的影响最小。此外,两个组件都有表面贴装包装,以节省有限的pc板空间。此外,它们的漏电流小于1µA,从而降低了电路的功率负载。最重要的是,根据IEC 61000-4-2 ESD标准,任何一个设备都能承受±12 kV的ESD冲击。

本地交换机

本地开关允许用户手动控制调光器的输出功率。与无线通信电路一样,该电路与外部环境相连接,极有可能受到静电放电的冲击。该电路需要与无线通信电路相同的保护元件。再次选择二极管阵列或聚合物ESD保护装置。

智能插座的保护和控制部件

图4显示了智能插座中的电路块以及提供保护和有效控制的推荐组件。与智能调光开关一样,智能插座具有交流输入模块、AC-DC转换电源模块、无线通信电路和手动开关控制电路。

图4智能插座方框图,显示需要保护和控制部件的位置。下表列出了建议的组件选项。

交流输入保护及整流

交流输入和保护电路连接到交流电源线,并且像调光器开关的交流输入保护块一样,会受到大的过电流冲击和高过电压瞬态的影响,这些都会在电源线上感应和传播。因此,智能插座电路的交流输入需要一个保险丝、一个MOV和一个TVS二极管,其特性与灯光调光器输入电路的推荐特性相同。

电源

考虑到智能插座的空间和效率,建议使用开关电源来产生控制电路所需的直流电压。我们建议使用高频设计最大限度地提高效率。考虑在电路中使用肖特基整流二极管。这些器件通常在0.5伏的工作频率下工作,可以节省高电压降。

无线通信和本地开关

与智能调光开关一样,无线通信和本地开/关开关电路暴露在外部环境中,并受到静电放电的影响。用TVS二极管阵列或聚合物ESD抑制器保护这些电路不受ESD的影响。

保护GFCI、AFCI插座和USB电源插座

自20世纪70年代以来,GFCI插座一直用于保护个人免受潮湿环境的影响。自2014年和2015年以来,《国家电气规范》和《加拿大电气规范》分别要求AFCI在新建住宅设施和住宅时使用。当带电线路上传输的负载电流不返回中性线时,GFCI会感应到。

如果电流不平衡超过预先确定的跳闸水平,GFCI会切断电源插座的电源,以防止触电危险。AFCI检测到电弧情况并切断电源插座以防止火灾。图5显示了GFCI、AFCI和带USB充电端口的电源插座的建议保护和控制组件。

图5GFCI、AFCI和USB充电插座的推荐保护和控制组件。

图6显示了GFCI和AFCI中的电路块。GFCI具有电流不平衡检测电路,而AFCI具有电弧检测电路。与智能调光器和智能插座一样,这两个设备连接到交流电源线,需要过电流和瞬态电压保护。

图6GFCI或AFCI的框图。下表列出了建议的保护和控制部件。

点火电路

这些设备中的每一个都需要一个电路来控制可以中断出口电源的继电器。这是点火电路。我们建议您考虑使用可控硅来控制机电继电器。有了可控硅,你可以设计一个简单的控制电路,既高效又紧凑。SCR是一个坚固的组件,可以承受高达100A的大电流浪涌,并且可以支持超过600V的电压。如果继电器线圈的功率消耗很低,那么您可以使用表面安装版本的组件。

USB插座

USB插座为使用USB电缆的便携式设备供电或重新充电提供了便利。用户不需要USB电源适配器块,因为插座提供直流充电电流。USB插座需要与交流电源线接口的其他智能设备一样的熔断和瞬态电压保护。图7显示了带有USB充电端口的USB电源插座的框图。

图7USB插座的方框图。建议的保护和控制部件见下表。

USB插座中的开关电路为插座提供直流输出。通过使用低正向电压肖特基二极管和高频开关设计,可以最大限度地提高电路的效率。此外,考虑使用功率MOSFET和集成栅极驱动器来进一步提高DC功率控制电路的效率。

符合安全标准

由于每个智能插座都与交流电源线相连,因此它们必须符合保险商实验室(UL)和国际电工委员会(IEC)颁布的适用国家和国际安全标准。适用于各种智能插座的标准如图8所示,如表1所示。

图8适用于调光器和电源插座的安全和ESD标准。

表1。电源插座适用的国家和国际标准和合规性清单

我们建议将这些标准的要求包括在产品定义中,以便在设计项目期间经济有效地设计保护组件。选择UL认可的交流电源线路径中的保护组件。基于标准要求的设计和测试结合使用UL认可的组件,既减少了认证时间,又避免了认证失败。

保护和控制部件的价值

物联网技术的进步融入了新产品中,如智能插座,使家庭更安全、更环保、更方便。为了确保这些智能产品的成功采用,它们需要健壮、可靠和安全。设计人员可以通过确保他们的设计具有过流保护、过电压保护和低功耗控制组件来确保产品的健壮和安全。

设计师还可以利用这些元件制造商的应用专业知识,例如Littelfuse,他们可以帮助设计师推荐电路配置、安全标准知识和元件选择,从而节省大量的时间和精力。您的努力将使产品获得可靠性、安全性和收入增长的声誉。

额外资源

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