智能家居安全应用的电路保护，控制和传感设计注意事项

2021-02-26

物联网技术的进步推动了智能家庭安全系统的开发，该系统可为消费者提供安全性，便利性和能源效率。新的传感技术和无线协议（例如无线LAN（Wi-Fi））创建了各种各样的设备，可以监视和控制安全设备，访问控制设备，设备，能源管理设备，电源插座，照明和娱乐系统。图1说明了支持智能家居的IoT技术的广度。 

图1.智能家居技术的优势包括娱乐，电器，访问，电源，能源以及安全性的控制。 

智能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5400万台增长到2023年的1.2亿台。这意味着17％的大幅复合年增长率（CAGR）。在这个市场上有大量的创新和新产品的机会。 

可靠性等于安全性

为了赢得市场份额，智能家居安防产品将需要高度可靠。随着越来越多的供应商进入市场并且产品差异缩小，产品质量将成为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鲁棒性。以下各段将为家庭安全系统的设计人员提供有关使用和选择保护和控制其电路的组件的建议。将介绍用于保护以下产品的组件：

有线和无线监控摄像头

有线门铃摄像头 

有线监控摄像头

有线安全摄像机系统通常是固定安装的安全系统，用于监视住宅周围的区域。图2显示了有线安全摄像机以及用于保护和控制摄像机的推荐组件。这些摄像机由交流电源线供电，并且会受到交流电源线上传播的过载和瞬变的影响。此外，所有与外部环境的连接均会受到静电放电（ESD）的影响。

设计人员将需要保护其相机电路免受这些危险条件的损害。图3显示了有线安全摄像机以及为确保产品坚固而推荐使用的保护和控制组件的框图。 

图2.有线安全摄像机示例以及推荐的保护和控制组件 

图3.有线安全摄像机框图，显示电路及其推荐的保护和控制组件。  

电源适配器

电源适配器与交流电源线连接，并且需要保护以防止电源线电流浪涌和电压瞬变。我们建议使用保险丝进行过载保护，使用金属氧化物变阻器（MOV）来保护瞬态电流浪涌，并使用瞬态电压抑制器（TVS）二极管来保护瞬态电压。这三个组件以及为您的设计细节选择的参数，将确保电源适配器对过载和瞬变具有鲁棒性。 

选择慢熔保险丝，以避免由于切换电源浪涌电流而造成保险丝开裂。但是，为避免损坏电源适配器电路，请选择能够对连续过载（例如在几秒钟内达到200％过载）快速响应的保险丝。选择保险丝时，请不要忽略其他关键参数。验证保险丝的额定电压是否超过电源可以看到的最大线路电压。另外，请确保中断额定值高于电路可能遇到的最坏情况下的电流过载。

适当的中断额定值将避免由于交流线路产生较大的瞬时过载而对保险丝造成物理损坏。由于电源空间有限，因此请寻找满足要求的小型保险丝。最后，使用具有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，对于雷电引起的大的高能量浪涌，请使用金属氧化物变阻器（MOV）来保护电源，该金属变阻器的位置应尽可能靠近电源的输入。MOV可以吸收高达10 kA的浪涌电流，并且可以吸收超过500 J的峰值脉冲能量。由于MOV与电源线接触，因此请使用UL / IEC认证的组件。 

您要考虑的第三个保护元件是瞬态电压抑制器（TVS）二极管，以保护下游电路免受瞬态电压的影响。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电压，以保护敏感电路。TVS二极管有单向或双向版本，其钳位电压范围很广，可低至10V。  

直流输入级

直流输入级提供直流电压，为控制板，电机驱动器和图像传感器接口供电。我们建议为此电路同时使用电流过载保护和瞬态电压保护。可以选择使用常规保险丝或可重置的聚合物正温度系数（PPTC）保险丝。这两种类型的保险丝均具有表面贴装版本，因此占用的PCB空间最小。TVS二极管还提供节省空间的表面安装封装，可承受高达5000 W峰值脉冲功率的瞬变。 

控制板

控制板包含用于摄像头电路的智能。控制板包括MCU，视频存储器和有线接口电路，该接口电路使用PoE协议通过交流电源线传输信息。控制板的两个电路应具有保护组件。这两个电路是有线接口和存储电路。 

有线接口与外部环境连接，并应具有电流过载和瞬态电压保护功能。与直流输入级一样，选择常规保险丝或可复位保险丝进行电流过载保护。为了防止电压瞬变，我们建议使用特殊组件TVS二极管阵列。TVS二极管阵列可保护PoE I / O线路免受ESD和其他高压瞬变的影响。

图4显示了一个双向二极管与齐纳二极管的组合，可承受±30 kV ESD冲击。这些二极管具有低的1pF /端口电容，可将其对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采用表面贴装封装，它们占用的PCB空间最少。  

图4.设计用于多个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TVS二极管来保护此重要电路免受高达±30 kV的ESD的影响。TVS二极管的泄漏电流低于1 µA，可降低功耗。 

马达驱动 

电机驱动块具有一个摇摄和俯仰电机电路，可将摄像机定位以跟踪运动。对于此电路，我们建议使用一个控制组件，一个光电隔离的固态开关。光学隔离可防止电动机噪声和瞬变回耦合到摇摄和倾斜控制电路中。固态开关可提供无跳动开关，以实现对电机的平稳控制。寻找具有零交叉开关的固态开关，以最大程度地减少电动机的启动瞬变。另外，寻找具有限流功能的开关，以防止电机停转。 

无线监控摄像头

为了监视内部空间，无线安全摄像机体积很小，可以轻松放置在任何地方。有关示例无线摄像机，请参见图5。图6显示了无线摄像机的框图以及该设备的推荐保护和控制组件。  

图5.带有推荐保护组件的示例无线安全摄像机 

图6.无线安全摄像机的框图以及推荐的保护和感测组件 

适配器

USB适配器是无线安全摄像机的电源。由于USB适配器连接到交流电源，因此必须保护其免受电流过载和电压瞬变的影响。与为有线安全摄像机供电的电源适配器类似，USB适配器应具有用于过流保护的保险丝，用于雷击的MOV和用于ESD保护的TVS二极管。

如果设计将使用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电缆和连接器。请参阅USB Type-C标准。2纠正引起温度升高的问题后，传感元件将以低电阻复位。 

电池组

如果电池单元在短路情况下发生故障并过热，则应监视电池组是否存在过电流情况。另外，电池管理单元和USB可能会受到ESD的影响。我们建议使用可复位保险丝，即PPTC表面贴装保险丝，以防止由于电池故障导致的过电流。PPTC保险丝将在不到一秒的时间内跳闸至200％的过载，以防止一块短路的电池对多块电池造成损坏。 

电池管理单元和USB电路应具有ESD保护。我们建议使用具有低钳位电压的多层金属氧化物压敏电阻来保护半导体组件。当节省PCB空间是一个重要的考虑因素时，可以部署节省空间的0402表面贴装封装的多层MOV版本。 

如果USB电路符合USB Type-C协议，则应使用与USB适配器推荐的热感应元件相同的热感应元件来保护USB电路中的配对USB插座。在我们的设计和安装指南中，有关于将热敏指示器设计为USB C型电路的更多详细信息。3  

控制板 

控制板包含用于控制摄像机并保存视频数据的数字电子设备。控制板需要针对瞬态和ESD的保护。对于此电路，我们建议使用耐压达30 kV的齐纳TVS二极管。TVS二极管的泄漏电流低于0.5 µA，可从电路中汲取最少的功率。二极管还占用少量PCB空间，可以容纳在0201表面贴装封装中。  

无线介面

无线接口与外部无线设备（例如计算机，智能手机和移动平板电脑）进行通信。由于该电路暴露在内部环境中，因此该电路容易受到ESD的影响。在这种情况下，请考虑使用聚合物ESD抑制器。聚合物ESD抑制器可保护电路免受高达+/- 15 kV的ESD冲击（通过空气）和±8kV的人体接触。此外，其低于0.2 pF的低电容不会降低信号传输或接收的性能。 

门铃摄像头

有线门铃摄像头已成为非常受欢迎的用于远程查看访客的产品。图7显示了一个示例门铃摄像头，图8显示了带有建议的保护和控制组件的框图。 

图7.有线门铃摄像头示例以及推荐的保护和控制解决方案 

图8.带有建议的保护和控制组件的有线门铃摄像头的框图 

供电单元

电源设备与来自交流电源线的降压交流电压接口，并且可能遭受电流过载和电压瞬变，例如雷电引起的瞬变。与其他电源电路一样，保险丝可以防止电流过载。为了防止AC线上的电压瞬变，请选择一个TVS二极管，该二极管可以吸收功率高达4 kW的瞬变。考虑使用光隔离的固态继电器来控制其他电路的电源，并防止噪声和来自电源线的瞬变传播到下游电路。  

电池组

电池组为控制板和用户界面提供备用电源。电池组及其子单元，电池管理单元和USB电路需要使用推荐用于无线相机中相同电路的相似组件来保护其免受过电流情况和瞬变的影响。添加TVS二极管将确保抑制电压瞬变和ESD冲击。与无线摄像机中的电池组一样，如果USB C型协议是设计要求，我们建议对USB电路进行热感应。  

用户界面

用户界面会受到人为接触的静电放电的影响。使用TVS二极管来保护用户界面不受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。考虑使用固态继电器来消除机械继电器触点弹跳和电磁干扰（EMI）的产生。 

控制板和无线接口

控制板和无线接口电路对门铃摄像头的作用与对无线摄像头的作用相同。为无线摄像机中的这些电路推荐的保护组件将应用于门铃摄像机中的相同电路。 

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正在适应COVID-19大流行所带来的“新常态”。他们将红外热感测技术添加到摄像机中，以便可以离散地监控家庭或企业访客的温度。温度测量可能会成为未来智能家居安全系统的标准功能。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，结合适当的电路保护有助于开发更可靠，更耐用的设备。 

图9.安全摄像机添加了热扫描以监视COVID-19之后的体温 

家用安全摄像机的适用标准

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电池（例如锂电池）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规定了确保锂电池和电池组安全的要求。锂电池的组装和操作不当会导致起火的危险；因此，监视这些类型的电池至关重要。不遵守这些标准将导致重新设计工作，并再次提交标准机构认证。项目成本将增加，并且产品的推出可能会延迟。  

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为设计目标，并在项目早期将标准合规性纳入其中，您可以经济高效地开发出强大而可靠的智能家居安全系统。当然，您的设计始终是性能和总拥有成本之间的折衷方案。尽管某些技术的成本可能高于其他技术，但其他因素可能表明，最低的总拥有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，请充分利用组件制造商的工程专业知识。使用值得信赖的供应商可以节省您的时间和资源。  

可靠性和效率提高了您的智能家居安全系统的声誉。高质量的声誉可以导致市场份额的增长和收入的增长。从而提高了盈利能力。