智能家居锁和门禁控制的智能电路保护和感应设计

本文通过涵盖工程师可在其设计中使用的各种保护和传感解决方案，概述了智能家居和工业建筑中的访问控制拓扑。

智能手机、网络和物联网 (IoT) 技术的结合促进了智能家居和高级楼宇自动化的发展。这些技术提供了更高的自动化、控制和安全性，为房主或办公室居住者提供了更高的便利性和更安全的舒适感。无论房主或办公室居住者在哪里，他们都可以查看他们的门锁和门窗的状态。

设计智能锁和门窗感应设备等家居和建筑安全产品的工程师需要确保他们的设备不会给客户带来虚假的安全感。设计人员需要了解符合适用安全标准并确保产品安全、稳健和可靠所需的保护和传感组件。

仅智能锁市场就是一个高速增长的市场，并且具有创新的机会。智能锁的全球增长预计将以 25% 的复合年增长率 (CAGR) 增长，单位增长率将从 2019 年的约 700 万台扩大到 20241 年的约 2300 万台。住宅市场将占大部分增长，大约为 70%。

与智能锁一样，个人安全意识的提高将推动门窗传感器的全球增长，尤其是在发展中经济体。出货量预计将从 2019 年的约 3 亿台增加到 20242 年的约 4.65 亿台。这种增长的复合年增长率约为 9%。智能家居安防产品市场是一个健康、有吸引力的市场。

保护智能锁设计

智能锁包括用于手动访问的键盘、用于通过软件应用程序访问智能手机的无线协议链接、用于监控门把手位置的传感器、用于锁定或解锁门的执行器以及用于检测规避行为的感应锁。图 1 显示了一个示例智能门锁，带有建议的保护和感应组件，以确保可靠运行。图2提供了智能锁的详细框图；图中显示了建议保护和感应组件的建议放置位置。

静电放电 (ESD) 是智能锁电子设备的主要危险。用户接口和无线接口都容易受到来自用户的 ESD 的影响。

用户界面包含一个人接触以输入预编程访问代码的键盘。个人是 ESD 的来源，尤其是在干燥环境中。设计人员应保护用户界面电路块免受 ESD 的影响，以避免损坏敏感电子设备。

图 1. 具有推荐保护和感应解决方案的智能锁

图 2. 智能锁框图显示了推荐保护和感应组件的电路块

对于 ESD 保护，设计人员应考虑使用瞬态电压抑制器 (TVS) 二极管或二极管阵列。 TVS 二极管是采用硅雪崩技术构建的齐纳二极管，可提供最低 ±15 kV ESD 电压的保护水平。一个 TVS 二极管阵列可以容纳六个齐纳二极管，以保护 5 条信号线并提供接地参考。参见图 3。阵列的优势在于 0402 表面贴装封装中的一个节省空间的组件可以保护多达 5 条线路。

对电路块的影响极小； TVS 二极管阵列的漏电流仅为 1 µA。如果需要更高级别的 ESD 保护，单独的二极管可以为每条信号线提供 ESD 保护。如图 4 所示，单个 TVS 二极管可承受高达 ±30 kV 的电压。无论使用哪种配置，都应将 TVS 二极管尽可能靠近电路的输入端放置，以防止 ESD 瞬变渗透到电路中。

图 3。 示例 5 线 TVS 二极管阵列

图 4。 单个 TVS 二极管

无线接口链接到蜂窝网络或无线 LAN、WiFi 网络，以与智能手机或其他联网设备进行通信。由于暴露在外部环境中，无线接口应具有 ESD 保护。推荐元件为聚合物ESD抑制器。

聚合物 ESD 抑制器的价值在于它能够响应和吸收 ESD 瞬变，同时对无线接口输出的特性阻抗的影响可以忽略不计。聚合物 ESD 抑制器可承受 ±8 kV 直接接触 ESD 和 ±15 kV 空袭。该组件的典型电容低至 0.06 pF。瞬态响应时间极快，不到 1 ns。放置位置应尽可能靠近输入天线连接器。图 5 显示了聚合物 ESD 抑制器的两种配置，双向组件。

图 5。 聚合物ESD抑制器、双向元件的配置

智能锁的感应建议

确保门完全固定在门框上的检测需要一个传感器。带有磁性致动器的簧片开关是一种用于电池供电智能锁的低功耗传感解决方案。簧片开关不需要任何驱动电源，并且在任何环境中都被密封以延长使用寿命。版本可以切换 10 W，额定值高达 0.5 A 或高达 200 V。这些开关非常适合用于低压控制器电路。此外，表面贴装版本可用于自动化电路板组装。

设计人员应考虑设计用于安装在门框等框架上的圆柱形磁性执行器。铝镍钴磁铁是推荐的材料；并且，尺寸可小至5 mm x 25 mm。

篡改检测电路块还需要一个传感器，以便在锁被破坏和门被打开时提醒用户。同样，推荐使用簧片开关和执行器。簧片开关-致动器组合消耗最少的功率以最大限度地延长电池寿命。设计人员可以考虑使用灵敏度可调的簧片开关执行器对，以确保对篡改锁的快速响应。

只需四个组件即可为智能锁提供保护和感应。这些组件占用最少的电路板空间，确保产品安全可靠。

保护无线门窗传感器设计

无线门窗传感器提供有关门窗状态的信息。用户可以从任何位置获取有关门窗是打开还是关闭的信息。图 6 显示了无线门传感器和无线车窗传感器的硬件配置。该图还显示了为每个硬件元素推荐的保护和感应组件。

图 6. 无线门窗感应系统，显示推荐的保护和感应组件

图 7 显示了系统的两个主要元素的框图。传感器电路检测窗户或门的位置并将信息报告给控制器，该控制器也是用户的接口和向任何位置发送信息的接口。感应电路位于门窗上，必须允许移动；因此，电路必须由电池供电。带有键盘的用户界面控制器位于固定位置，因此可以使用交流电源供电。交流线路电源是商业安装的典型应用。

图 7。 显示电路块和推荐的保护和传感元件的门窗传感器系统框图

与智能锁一样，设计人员应考虑使用簧片开关磁性致动器进行接近检测。由于不需要启动电源，簧片开关延长了传感器系统的电池寿命。传感器和用户界面控制器中的无线接口电路块可以使用聚合物 ESD 抑制器来确保免受 ESD 影响，同时保持 RF 传输的完整性。与智能锁类似，带有键盘的用户界面电路块应具有 ESD 保护，防止人体接触。 TVS 二极管阵列可以保护敏感信号线免受 ESD 瞬变的影响。

在 AC 电源和 AC-DC 电源为用户界面控制器供电的情况下，设计人员需要保护控制器免受来自 AC 线路的潜在威胁。对电子设备的潜在损坏可能来自过电流条件、雷击和其他电压瞬变以及 ESD 瞬变。设计人员可以使用熔断器和电压瞬变保护器件来保护他们的设计免受这些条件的影响。

熔断器有多种选择，包括熔断器的操作特性和外壳样式，以满足广泛的设计目标。设计人员应考虑使用延时或缓慢熔断器，以避免不必要的停机。此外，设计人员应选择熔断器电流额定值以适应短期过载，例如适用的浪涌电流。其他考虑因素包括中断额定值，它定义了熔断器可以中断的最大过载电流。该参数与保险丝尺寸进行权衡。如果需要小保险丝，设计人员需要确保保险丝能够承受交流线路提供的可用短路电流。最后要考虑的是保险丝的耐寒性。如果功耗是首要考虑因素，那么设计人员应该寻找低耐寒性的保险丝。

为了安全地吸收来自闪电或电机开启和关闭尖峰电压的 AC 线路电压瞬变能量，设计人员应考虑采用金属氧化物变阻器 (MOV)。 MOV 可以从 8/20 µs 瞬态脉冲中吸收高达 10,000 A 的电流浪涌。一个 20mm 的 MOV 也可以吸收多达 530 J 的能量。

MOV 的替代组件是 TVS 二极管。为保护电路免受闪电和其他瞬变影响而开发的模型可以承受 10/1000 µs 脉冲产生的高达 1500 W 的功率。为了最大限度地降低功耗，TVS 二极管在正常工作条件下消耗的电流小于 1 µA。此外，TVS 二极管可以在不到 1 ps 的时间内快速响应瞬态。可提供表面贴装版本，以最大限度地减少组装劳动。图 8 显示了 TVS 二极管的符号。设计人员可以选择双向二极管或单向二极管。

图 8。 双向和单向 TVS 二极管的配置

与智能锁一样，它不需要很多组件来保护门窗感应电路。设计人员可以通过多种方式为他们的产品选择最合适的版本。

符合电子安防产品行业标准

设计人员应该了解适用于他们正在开发的产品的标准，以便他们可以在项目的开发阶段纳入要求。不符合标准可能会导致成本高昂的重新设计工作和产品推出延迟。

除了通用产品安全标准（如 IEC 61000 系列定义了承受 ESD、电快速瞬变和闪电的要求）之外，还存在针对电子锁和相关产品的特定标准。表 1 列出了电子锁和相关设备的适用标准。这些标准涵盖北美市场和中国。这些文档是智能锁和门窗传感器设计人员必不可少的参考资料。

表 1. 北美和中国电子锁及相关产品标准

总结

质量、可靠性和便利性的声誉是智能锁和门窗感应产品制造商的巨大竞争优势。结合适当的保护和传感组件将有助于实现安全和坚固的产品。幸运的是，设计人员只需要少量组件即可充分保护他们的产品并符合安全标准。使用低能量传感器，设计人员可以最大限度地延长电池寿命，最大限度地减少更换电池的频率。设计人员可以使用许多替代组件。实现最佳设计的最后一项建议是利用组件制造商的专业知识并寻求他们的建议。

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. 智能锁市场规模。正佳研究。 2020 年 2 月。
2. 窗口传感器市场展望。展望市场研究。 2019 年 5 月。

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