保护智能家居中的智能插座

无线和互联网技术的创新正在将常见的非智能设备转变为可帮助用户利用物联网(IoT)的智能设备。这种趋势正在我们的家庭，工作场所和建筑物中发生。物联网技术已经进入家庭，创造了一个方便、安全、照明控制、娱乐和环境控制的智能家居。

为了实现这些进步，传统上非智能的设备(例如，调光器和电源插座)必须是智能的，并在最新的住宅和建筑设计中被广泛采用。智能电源插座市场正以约25%的复合年增长率增长，预计到2024年将达到4500万台/年。智能灯调光器市场预计将以超过15%的速度增长，预计到2024年将达到1500万台/年。

其它设备，如接地故障断路器(GFCI)/电弧故障断路器(AFCI)和USB插座正在变得越来越智能化。据粗略估计，GFCI/AFCI设备的市场增长率约为5%，而USB市场的增长率估计为10%。用过电压和过电流保护来保护所有这些设备对于长期的可靠性和安全性至关重要。

智能设备具有可实现控制，系统协调和状态反馈的电子电路。可以通过音频(语音)，手动或电子控制对智能设备进行编程。物联网智能设备可以通过无线通信协议(如蜂窝、WIFI或蓝牙)进行远程访问和编程。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。

设计人员需要确保这些新的智能设备安全可靠，因为消费者希望获得高可靠性而不会中断服务。因此，即使在遭受各种环境危害(例如雷电浪涌，感应电源浪涌，静电放电和电快速瞬变)的情况下，设备也需要过电压保护和过电流保护来维持运行。本文向设计人员介绍了要使用的元件类型以及它们在电路体系结构中的应用位置。

智能插座连接到交流电源线，需要满足机构的标准和可靠性要求。通常，熔断器用于过电流保护。如果在规定的时间内出现超过其额定值的电流，熔断器将中断。选择熔断器时，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，电阻和机构的认可。

雷击会在电源线上产生感应电涌，产生过电压瞬变，从而导致故障。为了保护起见，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二极管反应时间在皮秒级别，有更快的响应时间，MOV可以吸收更多的能量，这取决于所选的特定元件。正确的元件选择取决于准确的系统布局和系统中的其它元件。需要考虑工作电压、箝位电压、浪涌要求和元件成本。

智能插座的无线通信电路暴露在包括人为触摸的外部环境中，并应首先具有防止静电放电的保护措施。选择最佳的抑制技术取决于威胁级别、系统架构和外形因素。

ESD抑制元件既能保护无线芯片组又能保护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箝位电压和最小的封装尺寸的优点。两种元件均具有低泄漏电流和低于1 pF的低电容。根据IEC 61000-4-2标准，用于此应用的典型TVS二极管将承受+/-12kV ESD。

TVS二极管阵列和聚合物ESD抑制器都具有较小的尺寸，并少占用宝贵的印刷电路板空间。最重要的是，这些器件(取决于所选择的元件)可以承受高达30kV的直接接触和高达30kV的空气放电(符合IEC61000-4-2)。聚合物ESD器件可在纳秒内响应ESD电压，而TVS二极管可在皮秒内响应。如果尺寸是一个主要问题，那么聚合物ESD器件的最大焊盘面积(焊盘长度)为3mm，而TVS二极管的最大焊盘面积为9mm。

智能调光器和智能电源插座都从电源线获取电源；因此，它们需要电源线保护。两种设备都有无线通信接口，需要防静电保护。在生产和安装过程中，还需要ESD保护，以保护电路不受手动控制开关和其它接触点的影响。过电流保护、过电压保护和功率控制的典型选项如图1所示。

图1：用于智能调光器和智能电源插座的推荐保护和控制元件

图2显示了智能调光器的方框图，图3显示了智能插座的方框图。推荐的保护和控制元件选项显示在方框图旁边的列表中。

图2：智能调光器的方框图

推荐用于的电路块的安全和控制元件选项如方框图旁边的列表所示

图3：智能插座方框图，显示需要保护和控制元件的位置。

下表列出了推荐的元件选项。

智能插座采用肖特基整流器在开关电源中进行整流，为直流电路供电。肖特基整流器的正向电压很低。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，从而提高效率。

在调光器中，双向晶闸管用于控制输出到灯的交流波形的百分比。对于低负载电流，LED、双向晶闸管等光源的保持电流可低至6 mA。控制光源的另一个选择是MOSFET。MOSFET具有开关时间快、导通电阻低的特点，可以最大限度地降低功率损耗，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的有效导通和关断。

最初的家用智能设备是接地故障断路器和电弧故障断路器。当带电线路上传输的负载电流没有返回中性线时，接地故障断路器会感应到。如果电流不平衡超过预先设定的跳闸水平，接地故障断路器会切断电源插座的电源，以防止触电危险。电弧故障断路器检测到电弧情况并切断插座电源以防止火灾。

具有USB充电功能的电源插座在住宅和公共场所越来越普遍。这些插座可以将USB充电与传统的电源插座组合在一起，也可以在单个设备中使用多个USB充电器。接地故障断路器，电弧故障断路器和USB充电器需要防止瞬变的保护。图4显示了接地故障断路器，电弧故障断路器和USB充电插座所需的推荐保护和控制元件。

图4：接地故障断路器，

电弧故障断路器和USB充电插座的推荐保护和控制组件。

接地故障断路器和电弧故障断路器的方框图如图5所示。智能调光器和智能插座的保护元件相似。推荐的功率控制元件是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到输出的连接。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。

图5：接地故障断路器或电弧故障断路器的方框图

下表列出了推荐的保护和控制元件选项

图6：USB插座的方框图 

推荐的保护和控制元件选项显示在旁边的列表中

这些智能设备需要符合UL标准或IEC标准，因为它们都是在线供电的。适用的具体标准取决于设备将被使用的全球位置。如果认证机构未能批准您的产品，缺少标准要求可能会导致产品开发时间延长和项目成本增加。表1列出了适用于此类产品的国家和国际标准。

表1：适用的国家和国际标准与合规性列表