智能家居智能电源插座的安全性和可靠性设计

无线通信、互联网和电子电路的进步使智能设备的发展成为可能。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、环境控制和娱乐功能的智能设备在家庭中变得越来越普遍。非智能电源控制设备现在具有智能版本的示例包括调光器、电源插座和接地故障电路断路器(GFCI)/电弧故障电路断路器(AFCI)。

虽然非智能设备只能手动控制或始终运行，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组成部分，它响应来自个人计算机、平板电脑、智能手机或虚拟助理的控制。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。

设计人员面临的挑战是确保这些新的智能设备是安全和可靠的，这样消费者就可以拥有高可靠性，而不会有服务中断的风险。因此，这些设备需要过电压保护和过电流保护来维持运行，即使在遭受各种环境危害(如雷电浪涌、感应电涌、静电放电（ESD）和电快速瞬变)的情况下也是如此。本文为设计人员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。

调光器和电源插座连接到交流电源线上，并受到交流电源线上可能出现的过电流和瞬态过电压条件的影响。诸如雷击、负载浪涌引起的电源线电压变化、电机开启或关闭引起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和有效控制调光器和智能电源插座的保护和控制元件。

图1. 推荐用于智能调光器和智能电源插座的保护和控制元件

调光器是控制家中灯具照明的常用设备。智能调光器可以对灯具或一组灯进行精确的远程控制或定时控制。图2显示了电子调光器开关的框图，并显示了使用推荐保护和控制元件的具体电路模块。

图2. 智能调光器的方框图。

推荐用于电路模块的安全和控制元件选项显示在方框图旁边的列表

交流输入保护电路模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。我们建议使用慢熔熔断器，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。熔断器的额定电压应超过额定交流线路电压。

熔断器的一个关键参数是中断额定值。请确保所选的熔断器在大的过载时不会融化或蒸发。估计电源线的最大电流输出，并选择一个中断额定值超过您估计的潜在可用电流的熔断器。熔断器的中断额定值可以是10到100千安培（kA）。

为了防止交流输入保护电路在交流线路上发生瞬变，我们建议使用金属氧化物压敏电阻（MOV）。MOV能承受瞬态产生的最大电压，并能吸收由瞬态电压引起的电流浪涌。我们建议您考虑MOV，它能吸收10000安培的电流脉冲和400焦耳的瞬态能量。良好的设计实践是将MOV放置在尽可能靠近印刷电路板输入的位置，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。

开关电路控制到灯具的输出。最大限度地降低功耗可最大限度地提高电路效率，并最大限度地减少调光器中的热量积聚。我们建议使用具有低保持电流的三端双向可控硅（晶闸管）。

双向晶闸管的保持电流低于10毫安。它们还可以在结温超过100℃时安全运行。为了进一步提高效率，可以考虑使用MOSFET来控制双向晶闸管的功率。选择具有低于0.5Ω的低RDS（on）电阻和快速开关时间的功率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，以控制高端和低端功率MOSFET，并最大限度地提高其开关速度。选择具有足够载流量的栅极驱动器来驱动MOSFET。最后，使用MOV保护此电路不受开关电路的线路电压浪涌的影响，该MOV可以承受和交流输入保护电路建议的MOV类似的额定电压。 

无线通信电路使用无线LAN（Wi-Fi）协议与个人计算机，平板电脑或智能手机进行通信，用来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，两种元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，任何一种器件都将承受±12 kV ESD冲击。

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，该电路与外部环境连接，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元件。同样，选择二极管阵列或聚合物ESD保护器件。

图4说明了智能插座中的电路模块以及提供保护和有效控制的推荐元件。与智能调光开关一样，智能插座也有交流输入模块、交流-直流转换电源模块、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了需要保护和控制元件的位置。

表中列出了推荐的元件选项

交流输入和保护电路连接到交流电源线，像调光开关的交流输入保护模块一样，会经受大的过电流浪涌和高过电压瞬变，这些瞬变会在电源线上感应和传播。因此，智能插座电路的交流输入需要一个熔断器，一个MOV和一个TVS二极管，其特性与为调光器输入电路推荐的特性相同。

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0.5V的低正向压降，并且可以在较高的开关频率下工作，从而使小型、节省空间的设计能够以高效率运行。

与智能调光器开关一样，无线通信和本地on/off开关电路也暴露在外部环境中，并容易受到ESD冲击。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。

自1970年代以来，GFCI插座一直用于保护个人免受潮湿环境的影响。《国家电气规程》和《加拿大电气规程》分别从2014年和2015年起要求在新建住宅设施和住宅时使用AFCI。当输在带电线路上的负载电流不返回中性线时，GFCI就会进行感应。

如果电流不平衡超过预定的跳闸水平，GFCI会切断插座的电源，以防止触电危险。AFCI检测到电弧状况，并切断电源插座以防止起火。图5显示了推荐用于GFCI、AFCI和带USB充电端口的电源插座的保护和控制元件。

图5. GFCI、AFCI和USB充电插座的推荐保护和控制元件

图6. GFCI或AFCI的方框图。

相邻的表列出了推荐的保护和控制元件

每个器件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是一款可靠耐用的元件，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元件。

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性。由于插座提供直流充电电流，因此用户不需要USB电源适配器模块。USB插座需要与与交流电源线接口的其它智能设备相同的熔断和瞬态电压保护。图7显示了具有USB充电端口的USB电源插座的方框图。

图7. USB插座的方框图。

推荐的保护和控制元件显示在相邻列表中

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，您可以使该电路的效率最大化。此外，可以考虑使用功率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。

由于每个智能插座都与交流电源线相连，因此它们必须符合美国保险商实验室（UL）和国际电工委员会（IEC）颁布的适用的国家和国际安全标准。适用于各种智能插座的标准如图8和表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及合规性一览表

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高效地设计保护元件。选择交流电源线路径中的UL认可的保护元件。基于标准要求的设计和测试以及使用UL认可的元件的结合，既减少了认证时间，又避免了认证失败。

物联网技术的进步被融入到了智能插座等新产品中，使家更安全、更环保、更方便。为了确保成功采用这些智能产品，它们必须鲁棒，可靠和安全。设计人员可以通过确保其设计具有过电流保护，过电压保护和低功耗控制元件来确保产品鲁棒和可靠。

通过利用这些元件制造商（例如Littelfuse）的应用专业知识，设计人员还可以节省大量时间和精力，Littelfuse可以帮助设计人员提供有关电路配置，安全标准知识和元件选择的建议。您的努力将使产品在可靠性，安全性和收入增长方面赢得声誉。

更多资源

有关Littelfuse电路保护解决方案的更多信息，请参考以下文档：

• 熔断学选择指南

• 电路保护产品选择指南

• 静电放电(ESD)抑制设计指南

或联系Littelfuse获得应用专家的设计帮助。