为智能家居的智能电源插座设计安全性和可靠性

本文为设计人员提供了电源插座设计的保护和低功耗控制组件建议，既可防止过载损坏敏感电路，又可最大限度地提高设备效率。

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。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、环境控制和娱乐的智能设备在家庭中变得越来越普遍。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供电，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 IoT 领域的组成部分，可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。这些产品使用蜂窝、Wi-Fi 或蓝牙等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型智能设备的安全性和稳健性，以便消费者能够获得高可靠性而不会出现服务中断的风险。因此，这些设备需要过压保护和过流保护，即使在遭受雷击浪涌、感应电源浪涌、静电放电 (ESD) 和电气快速瞬变等各种环境危害时也能保持运行。本文为设计人员提供了有关保护和低功耗控制组件的建议，这些组件既可以防止过载损坏敏感电路，又可以最大限度地提高设备效率。

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，并且会受到交流线上可能发生的过流和瞬态过压情况的影响。雷击、负载浪涌引起的电源线电压变化、电机开启或关闭引起的电感瞬变以及静电放电 (ESD) 等瞬变都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组件。

图 1. 推荐用于智能调光器和智能电源插座的保护和控制组件。

智能调光器的保护和控制组件

调光器是用于控制家中灯具照明的常用物品。智能调光器允许对灯具或一组灯进行精确的远程控制或定时控制。图 2 显示了电子调光开关的框图，并显示了使用推荐保护和控制组件的特定电路块。

图 2. 智能调光器的框图。为电路块推荐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主电源线连接，需要过流和瞬态电压保护。设计人员应为模块熔断，以防止过电流损坏下游电路模块。我们建议使用大小合适的慢熔保险丝，以避免由于涌入电流（例如来自开关电源）而导致停机。保险丝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其分断额定值。确保所选保险丝在大过载期间不会熔化或汽化。估计电源线的最大电流容量并选择分断额定值超过您对潜在可用电流估计值的保险丝。保险丝的分断额定值可以是 10 到 100 千安 (kA)。

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变阻器 (MOV)。 MOV 可以承受瞬态产生的最大电压，并且可以吸收瞬态电压引起的电流浪涌。我们建议您考虑使用 MOV 吸收多达 10,000 A 的电流脉冲和 400 J 的瞬态能量。良好的设计实践是将 MOV 尽可能靠近印刷电路板的输入，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) 来保护下游的次级电路。您可以选择单向或双向二极管，具体取决于电路同时受到正瞬态和负瞬态影响的可能性。 TVS 二极管对瞬变的响应速度极快，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。最大限度地降低功耗可以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。我们建议使用低保持电流的 TRIAC（晶闸管）。

TRIAC 可提供低于 10 mA 的保持电流。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，可以考虑使用 MOSFET 来控制 TRIAC 的功率。选择具有低于 0.5 Ω 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来控制高侧、低侧功率 MOSFET 并最大化它们的开关速度。选择具有足够电流容量的栅极驱动器来驱动 MOSFET。最后，使用 MOV 保护该电路免受传播到开关电路的线路电压浪涌的影响，该 MOV 可以承受与推荐用于 AC 输入保护电路的 MOV 类似的量。

无线通信电路

无线通信电路使用无线局域网（Wi-Fi）协议与个人电脑、平板电脑或智能手机进行通信，以远程控制调光器。该电路与外部环境接口并受到ESD的影响，主要由智能调光器的用户引起。

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

由于电容低于 1 pF，这两种器件都可以保护 I/O 端口，同时对电路性能的影响最小。此外，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，它们吸收的漏电流低于 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，任一设备均能承受 ±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。与无线通信电路一样，该电路与外部环境接口，极有可能受到 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。

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。与智能调光开关一样，智能插座也有交流输入块、交直流转换供电块、无线通讯电路和手动开关控制电路。

图 4。 显示需要保护和控制组件的智能插座框图。下表列出了推荐的组件选项。

交流输入保护与整流

AC 输入和保护电路连接到 AC 电源线，并且与调光开关的 AC 输入保护块一样，会受到可能在电源线上感应和传播的大过电流浪涌和高过电压瞬变的影响。因此，智能插座电路的交流输入需要保险丝、MOV 和 TVS 二极管，其特性与为调光器输入电路推荐的特性相同。

电源

智能插座的空间和效率考虑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最大限度地提高效率。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，并且它们可以在高开关频率下运行，从而实现了以高效率运行的小型、节省空间的设计。

无线通信和本地开关

与智能调光开关一样，无线通信和本地开/关开关电路暴露在外部环境中并受到 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 影响。

保护 GFCI、AFCI 插座和 USB 电源插座

GFCI 插座自 1970 年代以来一直用于保护个人免受潮湿环境的影响。自 2014 年和 2015 年以来，国家电气规范和加拿大电气规范分别要求在住宅设施和住宅的新建工程中使用 AFCI。 GFCI 感应到热线上的负载电流何时没有返回到中线上。

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插座的电源以防止火灾。图 5 显示了 GFCI、AFCI 和带 USB 充电端口的电源插座的推荐保护和控制组件。

图 5。 GFCI、AFCI 和 USB 充电插座的推荐保护和控制组件。

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，这两个设备连接到交流电源线，需要过流和瞬态电压保护。

图 6. GFCI 或 AFCI 的框图。相邻的表格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可以中断插座电源的继电器。那就是点火电路。我们建议您考虑使用 SCR 来控制机电继电器。使用 SCR，您可以设计一个既高效又紧凑的简单控制电路。 SCR 是一种坚固的组件，可以承受高达 100 A 的大量电流浪涌，并且可以支持超过 600 V。如果继电器线圈的功耗较低，那么您可以使用该组件的表面贴装版本。

USB 插座

USB 插座为使用 USB 电缆为便携式设备供电或充电提供了便利。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 为带有 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显示在相邻的列表中。

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，您可以最大限度地提高该电路的效率。此外，考虑使用功率 MOSFET 和集成栅极驱动器，以进一步提高直流电源控制电路的效率。

遵守安全标准

由于这些智能插座中的每一个都连接到交流电源线，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所示，并在表1中描述。

图 8。 适用于调光器和电源插座的安全和 ESD 标准。

表 1. 适用于电源插座的国家和国际标准和合规性列表

我们建议将这些标准的要求包含在产品定义中，以便在设计项目期间可以经济高效地设计保护组件。选择 UL 认可的交流电源线路路径中的保护组件。基于标准要求的设计和测试相结合，并使用 UL 认可的组件，既减少了认证时间，又避免了认证失败。

保护和控制组件的价值

物联网技术的进步融入了智能插座等新产品中，为家庭提供了更多的安全性、环境控制和便利性。为确保成功采用这些智能产品，它们需要稳健、可靠和安全。设计人员可以通过确保其设计具有过流保护、过压保护和低功耗控制组件来确保产品的稳健性和安全性。

通过利用这些组件制造商（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电路配置建议、安全标准知识和组件选择。您的努力将使产品在可靠性、安全性和收入增长方面享有盛誉。

其他资源

有关 Littelfuse 电路保护解决方案的更多信息，请参阅以下文档：

• Fuseology 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 以获得应用专家的设计帮助。

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