保护智能家居中的智能插座

作者：Craig Morrow

无线和互联网技术的创新正在将普通的非智能设备转变为智能设备，帮助用户利用物联网 （IoT）。这种趋势正在我们的家庭、工作场所和建筑物中发生。物联网技术已进入家庭，通过便利性、安全性、照明控制、娱乐和环境控制产品创造智能家居。

为了实现这些进步，传统的非智能设备（如调光器和电源插座）必须是智能的，并且正在最新的家庭和建筑设计中得到广泛采用。智能电源插座市场正以约25%的复合年增长率增长1，预计到2024年市场将达到4500万台/年。智能照明调光器市场预计将以超过15%的速度增长2预计到2024年将达到1500万台/年。

接地故障断路器 （GFCI）/电弧故障断路器（AFCI） 和 USB 插座等其他设备正变得越来越智能。GFCI / AFCI设备市场大致估计增长率约为5%，而USB市场估计以10%的速度增长。通过过压和过流保护保护所有这些设备对于长期可靠性和安全性至关重要。

是什么让设备智能化？

智能设备具有电子电路，可实现控制、系统协调和状态反馈。智能设备可通过音频（语音）、手动或电子控制进行编程。物联网智能设备可以通过蜂窝等无线通信协议远程访问和编程， WIFI， 或蓝牙。您的个人计算机、平板电脑、智能手机或虚拟助手可以轻松地与这些智能设备进行通信。

安全性和可靠性设计

设计人员需要确保这些新的智能设备安全可靠，因为消费者期望高可靠性，而不会有服务中断的风险。因此，这些器件需要过压保护和过流保护，即使在受到雷电浪涌、感应电涌、静电放电和电快速瞬变等各种环境危害时也能保持运行。本文向设计人员介绍要使用的组件类型以及它们在电路架构中的应用位置。

连接到电源线的智能设备的设计注意事项

智能插座连接到输入的交流电源线，需要满足机构标准和可靠性期望。通常，保险丝用于过流保护。如果在规定的时间段内发生超过其额定值的电流，保险丝将中断。选择保险丝时，请考虑正常工作电流、应用电压、环境温度、过载电流条件、最大故障电流、电阻和机构批准。

雷击会在电源线上产生感应电涌，从而产生过压瞬变，从而导致故障。为了保护，设计人员通常选择金属氧化物压敏电阻 （MOV）和/或瞬态电压抑制二极管 （TVS）。MOV 和 TVS 都设计用于吸收瞬态电流浪涌。TVS 二极管的响应时间更快，低于皮秒，MOV 可以吸收更多能量，具体取决于所选的特定组件。正确的组件选择取决于精确的系统布局和系统中的其他组件。需要考虑工作电压、钳位电压、浪涌要求和元件成本。

主保险丝参数：

额定电流
最大工作电压
中断电流额定值
串联电阻

主要 MOV 参数：

吸收的最大瞬态能量
最大峰值浪涌电流
最大连续工作电压
钳位电压
工作温度范围

初级TVS二极管参数：

反向关断电压
峰值脉冲功耗
击穿电压
保护无线通信微处理器免受静电放电 （ESD） 的影响

智能插座的无线通信电路暴露在外部环境中，包括人机触摸，应主要具有ESD保护。选择最佳抑制技术取决于威胁级别、系统架构和外形尺寸。

ESD抑制元件保护无线芯片组和无线接口后面的数字电路。TVS二极管阵列和聚合物ESD抑制器是两种解决方案。TVS二极管阵列具有尽可能低的钳位电压和最小的封装尺寸的优点。两款器件均具有低漏电流和低于1 pF的低电容。用于此应用的典型TVS二极管将承受符合IEC 61000-4-2标准的+/- 12 kV ESD。

TVS二极管阵列和聚合物ESD抑制器均具有小尺寸，并占用少量宝贵的印刷电路板空间。最重要的是，根据所选组件的不同，这些设备可以承受高达 30 kV 的直接接触和高达 30 kV 的空气传输，符合 IEC61000-4-2 标准。聚合物 ESD 器件在不到一纳秒的时间内响应 ESD 电压，而 TVS 二极管在皮秒内响应。如果尺寸是一个主要问题，则聚合物ESD器件的最大占位面积（焊盘长度）为3 mm，而TVS二极管的最大占位面积为9 mm。

初级聚合物静电放电参数

关断电压
钳位电压
触发电压
电容
漏电流
智能调光器和智能电源插座的保护和控制

智能调光器和智能电源插座都从电源线获取电力;因此，它们需要电源线保护。两款器件还具有无线通信接口，需要ESD保护。还需要ESD保护，以保护电路在生产和安装过程中免受手动控制的开关和其他接触点的影响。过流保护、过压保护和电源控制的典型选项如图1所示。

图1.推荐用于智能调光器和智能电源插座的保护和控制组件。

图2显示了智能调光器的框图，图3显示了智能插座的框图。推荐的保护和控制组件选项显示在框图旁边的列表中

智能调光器和电源插座的电源控制

智能插座采用肖特基整流器对为直流电路供电的开关电源进行整流。肖特基整流器具有低正向电压。低正向电压提高了功率转换效率。此外，肖特基二极管具有快速的开关速度，使开关电源能够在高频下工作，从而进一步提高效率。

在调光器中，TRIAC用于控制输出到灯光的交流波形的百分比。对于低负载电流光源（如 LED），TRIC 的保持电流可低至 6 mA。控制光源的另一种选择是MOSFET。MOSFET 具有快速开关时间和低导通电阻，可最大限度地减少功率损耗并提高从输入到输出的功率传输效率。栅极驱动器控制 MOSFET，并确保 MOSFET 的高效导通和关断。

初级肖特基二极管参数

正向电压
正向电流
反向电压
反向恢复时间
可控硅主要参数
导通状态电流
额定电压
保持电流
导通状态电流上升率
初级场效应管参数
漏源电流
导通电阻
切换时间
初级 MOSFET 栅极驱动器参数
输入电压
输出电流

图2.智能调光器的框图。为电路模块推荐的安全和控制组件选项显示在框图旁边的列表中。


图3.智能插座框图显示了需要保护和控制组件的位置。下表列出了建议的组件选项。

确保对 GFCI、AFCI 和 USB 插座的保护和控制

家庭的原始智能设备是GFCI和AFCI。当热线上输送的负载电流未返回零线时，GFCI 会检测。如果电流不平衡超过预定的跳闸水平，GFCI会断开插座的电源，以防止触电危险。AFCI检测到电弧状况并断开插座的电源以防止火灾。

带有USB充电功能的电源插座在住宅和公共场所变得越来越普遍。这些插座可能将 USB 充电与历史电源插座或单个设备中的多个 USB 充电器相结合。GFCI、AFCI 和 USB 充电器需要瞬变保护。图 4 显示了 GFCI、AFCI 和 USB 充电插座所需的推荐保护和控制组件。

图4.推荐用于 GFCI、AFCI 和 USB 充电插座的保护和控制组件。

GFCI和AFCI的框图如图5所示。智能调光器和智能插座的保护组件类似。建议的电源控制组件是 SCR。当检测到电流不平衡时，SCR 激活继电器，断开交流主输入电源与输出的连接。此外，SCR 还提供各种通孔和表面贴装封装。它们还将具有高达2500 Vrms的隔离电压。

主要可控硅参数

导通状态电流
阻断电压
前向下降
栅极电流触发电平

图5.GFCI或AFCI的框图。相邻的表列出了建议的保护和控制组件选项。


图6.USB 插座框图。建议的保护和控制组件选项显示在相邻列表中。

通过了解适用的行业安全标准节省开发时间

这些智能设备需要满足UL标准或IEC标准，因为它们都使用在线电源运行。适用的特定标准取决于将使用设备的全球位置。如果认证机构未能批准您的产品，错过标准要求可能会导致产品开发时间延长并增加项目成本。表1包含这些类型产品的适用国家和国际标准列表。

表 1.适用的国家和国际标准和合规性列表