在智能家居的智能电源插座中设计安全性和可靠性

2021-02-26

无线通信，互联网和电子电路的进步推动了智能设备的发展。通过使用物联网（IoT）技术，非智能设备正在演变为智能设备。提供电源控制，安全性，环境控制和娱乐的智能设备在家庭中正变得越来越普遍。现在具有智能版本的非智能电源控制设备的示例包括调光器，电源插座和接地故障电路断流器（GFCI）/电弧故障电路断流器（AFCI）。

非智能设备只能手动控制或始终通电，而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IoT域的组成部分，可以响应来自个人计算机，平板电脑，智能手机或虚拟助手的控制。这些产品使用诸如蜂窝，Wi-Fi或蓝牙之类的无线通信协议访问智能设备。

安全性和可靠性设计 

设计人员面临的挑战是确保这些新的智能设备安全可靠，从而使消费者在不中断服务风险的情况下具有较高的可靠性。因此，即使遭受雷电浪涌，感应电涌，静电放电（ESD）和电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。本文为设计人员提供了保护和低功耗控制组件的建议，它们既可以防止过载损坏敏感电路，又可以最大程度地提高器件效率。  

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，并且容易受到交流线上可能发生的过电流和瞬态过电压的影响。雷击，负载浪涌引起的电源线电压变化，电机开启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显示了推荐用于保护电子电路并有效控制调光器和智能电源插座的保护和控制组件。 

图1.用于智能调光器和智能电源插座的推荐保护和控制组件。 

智能调光器的保护和控制组件

调光器是用于控制家庭照明设备的照明的常用物品。智能调光器可对灯具或一组灯具进行精确的远程控制或定时控制。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组件的特定电路块。  

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

交流输入保护电路

交流输入保护电路块直接与交流市电电源线连接，并且需要过流保护和瞬态电压保护。设计人员应对模块进行熔断，以防止过电流导致对下游电路模块的损坏。我们建议使用慢熔保险丝，其大小应避免由于浪涌电流（例如来自开关电源）而造成不必要的停机。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。估算电源线的最大电流容量，然后选择断续额定值超过您对潜在可用电流的估算值的保险丝。保险丝的断续额定值可能为100千安培（kA）的10s。 

为了保护交流输入保护电路免受交流线路上的瞬变影响，我们建议使用金属氧化物压敏电阻（MOV）。MOV可以承受瞬态的最大电压，并且可以吸收瞬态电压引起的电流浪涌。我们建议您考虑一个MOV，它吸收多达10,000 A的电流脉冲和来自瞬变的400 J能量。良好的设计习惯是将MOV放置在尽可能靠近印刷电路板输入端的位置，以防止瞬变传播到电路中。

在交流输入保护电路的次级侧，使用瞬态电压抑制二极管（TVS）保护下游的次级电路。您可以选择单向或双向二极管，具体取决于电路可能遭受正向和负向瞬变的可能性。TVS二极管对瞬态的响应非常快，不到1 ps。它们可以吸收1500 W的峰值脉冲功率，并具有低钳位电压，以保护低压电子电路。  

开关电路

开关电路控制到灯具的输出。最小化功耗可最大程度地提高电路效率，并最大程度地减少调光器中的热量积聚。我们建议使用保持电流小的TRIAC（晶闸管）。

TRIAC的保持电流低于10 mA。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，请考虑使用MOSFET来控制TRIAC的功率。选择低RDS（on）电阻低于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。

您可以使用单芯片栅极驱动器简化驱动MOSFET的管理。栅极驱动器芯片可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。选择具有足够电流容量的栅极驱动器来驱动MOSFET。最后，用MOV保护该电路免受线电压浪涌的影响，该电压会传播到开关电路中，该MOV可以承受与推荐用于AC输入保护电路的MOV相似的量。    

无线通讯电路

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，以对调光器进行远程控制。该电路与外部环境连接，并受到ESD的影响，这主要是由智能调光器的用户引起的。

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

图3.具有两个背对背二极管的双向TVS二极管阵列    

由于电容小于1 pF，这两种器件都可以保护I / O端口，而对电路性能的影响最小。而且，两个组件都采用表面贴装封装，以节省有限的印刷电路板空间。此外，它们汲取的漏电流低于1 µA，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，任何一种设备都将承受±12 kV 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。像无线通信电路一样，该电路与外部环境对接，并且很容易受到ESD冲击。该电路需要与无线通信电路相同的保护组件。同样，选择二极管阵列或聚合物ESD保护器件。 

智能插座的保护和控制组件

图4说明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。与智能调光器开关一样，智能插座具有交流输入块，交流-直流转换电源块，无线通信电路和手动开关控制电路。 

图4.智能插座框图，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 

交流输入和保护电路连接到交流电源线，并且像调光开关的交流输入保护块一样，会经受大的过电流浪涌和高的过电压瞬变，这些瞬变会在电源线上感应和传播。因此，智能插座电路的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电路推荐的特性相同。  

电源 

智能插座中出于空间和效率方面的考虑，建议使用开关电源来生成控制电路所需的DC电压。我们建议通过高频设计来最大程度地提高效率。考虑在电路中使用肖特基整流二极管。这些器件具有通常低于0.5 V的低正向压降，并且可以在高开关频率下工作，从而实现了小巧，节省空间的设计，可以高效地工作。 

无线通信和本地开/关开关

与智能调光器开关一样，无线通信和本地开/关开关电路也暴露在外部环境中，并容易受到ESD冲击。使用TVS二极管阵列或聚合物ESD抑制器保护这些电路免受ESD的影响。 

保护GFCI，AFCI插座和USB电源插座

自1970年代以来，GFCI出口已开始用于保护个人免受潮湿环境的侵害。自2014年和2015年以来，《国家电气法规》和《加拿大电气法规》分别要求在住宅设施和房屋的新建建筑中使用AFCI。GFCI感测何时在热线上传递的负载电流不在中性线上返回。

如果电流不平衡量超过预定的跳闸水平，则GFCI会断开电源，以防止触电危险。AFCI会检测到电弧情况，并从插座上拔下电源以防止起火。图5显示了GFCI，AFCI和带有USB充电端口的电源插座的推荐保护和控制组件。 

图5.推荐用于GFCI，AFCI和USB充电插座的保护和控制组件。

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，这两个设备都连接到交流电源线，并且需要过电流和瞬态电压保护。

图6. GFCI或AFCI的框图。下表列出了推荐的保护和控制组件。 

点火电路

这些设备中的每一个都需要一个电路来控制继电器，该电路可能会中断插座电源。那就是触发电路。我们建议您考虑使用SCR来控制机电继电器。借助SCR，您可以设计出既高效又紧凑的简单控制电路。SCR是一款坚固耐用的组件，可以承受高达100 A的相当大的电流浪涌，并可以支持600 V以上的电压。如果继电器线圈的功耗很低，则可以使用表面贴装型组件。   

USB插座

USB插座提供了使用USB电缆为便携式设备供电或重新充电的便利。由于插座提供直流充电电流，因此用户不需要USB电源适配器块。USB插座需要与与交流电源线接口的其他智能设备相同的熔断和瞬态电压保护。图7示出了具有USB充电端口的USB电源插座的框图。 

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插座中的开关电路为插座提供DC输出。通过使用低正向电压，肖特基二极管和高频开关设计，可以使该电路的效率最大化。此外，考虑使用功率MOSFET和集成的栅极驱动器来进一步提高直流功率控制电路的效率。