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智能家居安全应用的电路保护、控制和传感设计注意事项

本文探讨了在智能家居安全应用中保护和控制电路的组件,特别是用于保护有线和无线安全摄像头以及有线门铃摄像头的组件。

物联网技术的进步正在推动智能家居安全系统的开发,为消费者提供安全、便利和能源效率。新的传感技术和无线协议(例如无线局域网 (Wi-Fi))创造了范围广泛的设备,可以监控和控制安全设备、门禁设备、电器、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物联网技术的广度。

图 1. 智能家居技术的优势包括控制娱乐、电器、访问、电力和能源以及安全。

智能家居安防市场是一个充满活力的市场。住宅安全摄像头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。这意味着复合年增长率 (CAGR) 为 17%。在这个市场上有很大的创新和新产品机会。

可靠性等于安全

智能家居安防产品需要高度可靠才能赢得市场份额。随着越来越多的厂商进入市场,产品差异化缩小,产品质量将成为消费者更大的决定因素。因此,产品需要对过载和瞬变具有鲁棒性。以下段落将为家庭安全系统设计人员提供使用和选择保护和控制其电路的组件的建议。将展示保护以下产品的组件:

有线安全摄像头

有线安全摄像头系统通常是固定安装的安全系统,用于监控住宅周围的区域。图 2 显示了有线安全摄像头以及用于保护和控制摄像头的推荐组件。这些摄像机由交流电源供电,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都会受到静电放电 (ESD) 的影响。

设计人员需要保护他们的相机电路免受这些危险条件的损坏。图 3 显示了有线安全摄像头的框图以及为确保产品稳健而推荐的保护和控制组件。

图 2. 有线安全摄像头示例和推荐的保护和控制组件

图 3。 显示电路及其推荐的保护和控制组件的有线安全摄像头框图。

电源适配器

电源适配器与交流电源线接口,需要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,使用金属氧化物压敏电阻 (MOV) 来防止瞬态电流浪涌,以及使用瞬态电压抑制器 (TVS) 二极管来防止电压瞬变。这三个组件,根据您的设计细节选择参数,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,以避免由于开关电源浪涌电流而导致保险丝开路。但是,为避免损坏电源适配器电路,请选择能够快速响应持续过载(例如几秒钟内到 200% 过载)的保险丝。选择保险丝时不要忽视其他关键参数。验证保险丝的额定电压是否超过电源所能承受的最大线路电压。此外,确保分断额定值高于电路预计会遇到的最坏情况电流过载。

适当的分断额定值将避免由于交流线路的大瞬态过载而对保险丝造成物理损坏。由于电源的空间非常宝贵,因此请寻找符合要求的小型保险丝。最后,使用具有 UL/IEC 认证的保险丝来简化和加快产品安全合规性认证。

例如,对于由闪电引起的大的、高能量的浪涌,请使用尽可能靠近电源输入端的金属氧化物压敏电阻 (MOV) 来保护电源。 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,因此请使用经 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电压瞬变的影响。 TVS 二极管对瞬变的响应速度极快,不到 1 ps。在抑制瞬变时,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两种版本,具有宽广的钳位电压范围,可低至 10 V。

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。我们建议此电路同时使用电流过载保护和瞬态电压保护。可以选择传统保险丝或自恢复聚合正温度系数 (PPTC) 保险丝。这两种类型的保险丝都有表面贴装版本,因此占用的 PCB 空间最小。 TVS 二极管还提供节省空间的表面贴装封装,可承受高达 5000 W 的峰值脉冲功率的瞬变。

控制板

控制板包含相机电路的智能。控制板包括 MCU、视频存储器和使用 PoE 协议通过交流电源线传输信息的有线接口电路。控制板的两个电路应该有保护元件。这两个电路是有线接口和存储电路。

有线接口与外部环境相连,应有电流过载和瞬态电压保护。与直流输入级一样,选择传统熔断器或自恢复熔断器进行电流过载保护。为了防止电压瞬变,我们建议使用特殊组件,即 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 显示了一组双向二极管与一个齐纳二极管相结合,可承受 ±30 kV ESD 冲​​击。这些二极管具有 1pF/端口的低电容,可最大限度地减少它们对 POE 协议传输和接收信号的影响。图 4 所示的二极管阵列配置可用于表面贴装封装,占用最少的 PCB 空间。

图 4。 一种用于多I/O端口ESD保护的TVS二极管阵列

SD 卡保存着摄像机获取的数据。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 影响。 TVS二极管具有低于1μA的低漏电流,以降低功耗。

电机驱动

电机驱动块有一个平移和倾斜电机电路,用于定位摄像机以跟踪运动。对于这个电路,我们推荐一个控制元件,一个光隔离的固态开关。光学隔离可防止电机噪声和瞬变耦合回平移和倾斜控制电路。固态开关提供无弹跳开关,可更平稳地控制电机。寻找具有零交叉开关的固态开关,以最大限度地减少电机启动瞬变。此外,寻找具有电流限制的开关以防止电机停转。

无线安全摄像头

为了监控内部空间,无线安全摄像头很小,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 显示了无线摄像头的框图以及为该设备推荐的保护和控制组件。

图 5。 带有推荐保护组件的无线安全摄像头示例

图 6。 无线安全摄像头框图和推荐的保护和传感组件

适配器

USB 适配器是无线安全摄像头的电源。由于它连接到交流电源,因此必须保护 USB 适配器免受电流过载和电压瞬变的影响。类似于为有线安全摄像头供电的电源适配器,USB 适配器应该有一个用于过流保护的保险丝、一个用于雷击的 MOV 和一个用于 ESD 保护的 TVS 二极管。

如果设计将使用 USB Type-C 协议,那么 USB Type-C 高密度连接器需要热感应来检测连接器引脚之间的短路。如果灰尘或污垢使相邻的连接器引脚短路,设计为符合 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 当引起温升的问题得到纠正后,传感元件以低电阻自行复位。

电池组

如果电池单元在短路和过热情况下发生故障,则应监控电池组是否存在过流情况。此外,电池管理单元和 USB 可能会受到 ESD 的影响。我们建议使用自恢复保险丝,即 PPTC 表面贴装保险丝,以防止因电池单元故障而导致过电流。 PPTC 保险丝会在一秒内跳闸至 200% 过载,以防止一个短路的电池损坏多个电池。

电池管理单元和USB 电路应该有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元件。当节省 PCB 空间是一个重要考虑因素时,可以部署采用节省空间的 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 Adapter 推荐的相同的热传感元件来保护 USB 电路中的配对 USB 插座。有关在 USB Type-C 电路中设计热感应指示器的更多详细信息,请参阅我们的设计和安装指南。 3

控制板

控制板包含控制摄像机和保存视频数据的数字电子设备。控制板需要防止瞬变和 ESD。对于此电路,我们建议使用可承受 ± 30 kV 冲击的齐纳 TVS 二极管。 TVS 二极管的漏电流低于 0.5 µA,从电路中汲取的功率最小。该二极管还占用少量 PCB 空间,可安装在 0201 表面贴装封装中。

无线接口

无线接口与计算机、智能手机、移动平板电脑等外部无线设备进行通信。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 抑制器将保护电路免受高达 ± 15 kV 空气和 ± 8 kV 人体接触的 ESD 冲​​击。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访客远程查看的热门产品。图 7 显示了一个示例门铃摄像头,图 8 显示了带有推荐保护和控制组件的框图。

图 7。 有线门铃摄像头示例和推荐的保护和控制解决方案

图 8。 带有推荐保护和控制组件的有线门铃摄像头框图

电源单元

电源单元与来自交流电源线的降压交流电压相连接,并且可能会受到电流过载和电压瞬变的影响,例如闪电引起的瞬变。与其他电源电路一样,保险丝将防止电流过载情况。为防止交流线路上的电压瞬变,请选择可以吸收功率高达 4 kW 的瞬变的 TVS 二极管。考虑使用光隔离固态继电器来控制其他电路的电源,并防止来自电源线的噪声和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摄像机中相同电路的类似组件来防止过流条件和瞬变。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 Type-C 协议是设计要求,我们建议对 USB 电路进行热感应。

用户界面

用户界面会因人为接触而受到 ESD 的影响。使用 TVS 二极管保护用户界面免受 ESD 影响。如果门铃摄像头将在欧洲销售,您需要在激活门铃和摄像头之间设置一个开关,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就像它们对无线摄像头一样。推荐用于无线摄像头中这些电路的保护组件将适用于门铃摄像头中的相同电路。

COVID-19 大流行正在影响安全摄像头的设计

一些安全摄像头制造商正在适应 COVID-19 大流行带来的“新常态”生活。他们正在将红外热感应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。温度测量可能成为未来智能家居安全系统的标准功能。随着安全摄像头越来越复杂以包含这方面的健康安全,采用适当的电路保护有助于开发更可靠和强大的设备。

图 9. 安全摄像头添加热扫描以监测 COVID-19 后的体温

家庭安防摄像头的适用标准

两个安全标准,如表 1 所示,定义了音频/视频通信技术设备和锂电池等电池的要求。 IEC 62368-1 解决了监视设备的安全要求;并且,第二个标准 IEC 62311-2 规定了确保锂电池和电池组安全的要求。锂电池组装和操作不当可能导致火灾;因此,对这些类型的电池进行监测是必不可少的。不遵守这些标准将导致重新设计工作和第二次提交给标准机构的认证。项目成本会增加,产品的推出可能会延迟。

表 1. 带监控摄像头的产品安全标准

保护价值

通过将保护和传感组件作为设计目标并在项目早期纳入标准合规性,您可以经济高效地开发强大且可靠的智能家居安全系统。当然,您的设计始终需要在性能和总拥有成本之间进行权衡。虽然某些技术可能比其他技术成本更高,但其他因素可能表明,最低的总拥有成本需要更高成本的组件技术。在选择保护、控制和传感组件时,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。高质量的声誉可以带来市场份额的增长和收入的增长。这会提高盈利能力。

有关电路保护、传感设备和组件选择标准的更多信息,请参阅 Littelfuse 提供的电路保护选择指南和传感产品选择指南。

参考文献

  1. 按系统划分的视频监控市场。市场和市场。 2020 年 4 月。
  2. 通用串行总线 Type-C 电缆和连接器规范。修订版 2.0。 2019 年 8 月。USB 实施者论坛 (USB-IF), Inc.
  3. USB Type-C 电缆数字温度指示器设计和安装指南。 Littelfuse 应用指南。 2019 年 4 月。

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