开发稳健的运动检测器不必是移动目标

本文讨论了一些概念，这些概念通过提供一种红外探测器组件来确保运动探测器设计对外部干扰具有稳健性，该组件可以显着减少部件数量并改善产品性能和可靠性。

智能家居和建筑正受益于智能技术，使它们变得更加方便、安全和节能。图 1 显示了适用于家庭和建筑物的各种产品。这些产品可以由消费者在家中和楼宇管理人员自动监控和控制。

一种兼具便利性、安全性和节能性的产品是红外运动探测器。红外运动探测器感应到某个区域的占用情况，然后可以激活照明、HVAC 系统或警报。如果运动检测器提供安全功能，则它需要每周 7 天、每天 24 小时可靠运行。

图 1. 为家庭和建筑物提供安全、便利、安全和高效能源管理的智能设备

由于结合了可靠的性能和低成本，被动红外技术是运动传感的领先技术。市场正在经历超过 13% 的健康复合年增长率，预计到 2025 年将超过 $3.5B ¹ .推动增长的因素包括：

• 住宅对使用监控的安全需求
• 通过无线连接和物联网网络降低安装成本
• 公共和商业部门正在采用的政府节能举措
• 不断增长的市场为创新设计提供了机会
  

保护、控制和传感组件

由于被动红外运动探测器用于室内监控或室外监控，因此这些产品必须能够抵抗环境干扰。如果探测器由 AC 线路供电，则它们必须能够承受可能在 AC 电源线上传播的电流过载和电压瞬变。除了电路保护之外，有效的控制和可靠的传感性能对于拥有优质产品至关重要。

图 2 显示了一个示例红外运动探测器，并指出了可提高产品可靠性和性能的推荐保护、控制和传感组件。

图 2. 显示推荐保护、控制和传感组件的示例被动红外运动探测器

在图 3 中，我们展示了被动红外运动检测器的框图，并展示了应在哪些电路中放置推荐的保护、传感和控制组件。我们将讨论推荐组件的每个块。

图 3。 显示推荐组件所在电路的被动红外运动检测器框图

AC/DC 功率级

AC/DC 功率级为其他电路块提供 DC 电源。该电路与交流电源线接口，并会受到过电流浪涌和过电压瞬变的影响。过压瞬变和电流浪涌可能由雷击、电机开启和关闭引起的电感尖峰以及电源线电压变化引起的瞬变引起。

针对这些潜在干扰，我们建议使用金属氧化物压敏电阻 (MOV) 作为 AC/DC 功率级板的第一道防线。将 MOV 尽可能靠近电路上交流电压的入口，以最大限度地减少电路板上交流线路瞬变的传播路径。选择具有以下特征的 MOV：

• 安全吸收高达 10 kA 的峰值浪涌电流或 150 J 的脉冲能量，以保护下游电路免受雷击
• 低钳位电压，不会损坏下游电路
• 工作温度范围可确保组件在探测器指定的环境范围内正常工作（具有酚醛涂层的 MOV 版本可在高达 125 °C 的温度下安全工作）
• 获得 UL 或 IEC 认可，可缩短国家认可的标准实验室的鉴定时间

在 AC/DC 功率级的输出端，我们建议您使用瞬态抑制器 (TVS) 二极管来进一步保护电源上的所有负载电路。 TVS 二极管将最大限度地减少各种负载电路中功率元件的瞬态应力。 TVS 二极管为电路保护提供了以下好处：

• 吸收高达 600 W 的峰值脉冲功率或 100 A 的峰值浪涌电流
• ESD 保护可高达 30 kV，无论是通过空中打击还是直接接触
• 对瞬态的超快响应，低于 1 ps
• 钳位电压低至 10 V 的版本
• UL 或 IEC 组件认可

如图 4 所示，TVS 二极管可以是双向的，封装中的两个串联二极管，也可以是单向的，单个二极管。除了它们的保护功能外，TVS 二极管消耗少量功率。在正常、无干扰的操作中，组件消耗的电流低于 1 µA。最后，TVS 二极管的表面贴装版本可用于节省印刷电路板空间。

图 4。 双向和单向 TVS 二极管，用于防止 ESD 和其他电气瞬变

运动传感器和 MCU

被动红外探测器的主要元件是红外辐射传感器和微控制器单元。请注意，我们提供完整的封装，包括传感器、镜头和微控制器单元（参见图 5）。完整的套餐提供：

• 由于传感器直接连接到微控制器芯片，因此减少了设计的物料清单。
• 一种微控制器，其中包含检测和处理电子设备的完整设计所需的所有电路。微控制器包含 CPU、RAM、定时器、比较器、A/D 转换器、通信接口和传感器固件。
• 二元或四元传感器与镜头相结合，可为不同的视野提供多种选择。
• 与电解电容器的典型用法相比，这些设计允许使用更低成本和更小的陶瓷电容器，后者具有更高的泄漏和更短的产品寿命
• 先进的运动检测器算法，可提供检测管理的灵敏度、范围和领域
• 微控制器的灵活性，允许实现用户定义的应用功能

为了节能，请寻找在未检测到运动时具有低功耗模式的组件。图 6 显示了一个示例红外运动检测器包。集成封装与更少的组件和无电解电容器的组合提高了整体产品的可靠性，节省了印刷电路板空间，并降低了成本。

图 5。 组合镜头、传感器和微控制器组件的框图

图 6。 一个示例镜头-传感器-微控制器红外运动检测器组件。该组件来自 Zilog。镜头和传感器位于电路板的顶部。微控制器位于传感器下方。

报警

当红外传感器检测到适当的运动量时，警报电路激活。该电路通常会驱动闪烁的 LED 灯或 LED 灯和扬声器的组合。报警电路需要一个控制元件来为外部设备供电。考虑簧片继电器或固态继电器，这两种继电器都将提供高功率驱动器与低功率逻辑电路的电流隔离。固态继电器的输出驱动触点寿命更长，而舌簧继电器的功耗更低。

干簧继电器采用紧凑型单列直插式封装。您还可以获得带有内置反电动势抑制二极管的簧片继电器，以保护线圈驱动电路，并带有磁屏蔽选项，以防止线圈 EMI 进入控制电路。此外，干簧继电器触点的寿命比传统机电继电器更长，并且它们相对不受环境温度的影响。

固态继电器在输入 LED 和输出光电探测器晶体管之间进行光耦合控制。固态继电器在输入和输出之间可以有高达 1500 Vrms 的隔离。许多设计用于通过在零电压交叉处启动开关的逻辑来消除 EMI/RF 生成。固态继电器的版本可以具有低于 1 µA 的低断态输出泄漏电流，以最大限度地降低功耗。它们采用节省空间的表面贴装封装。

您对驱动组件的选择取决于确保触点或输出具有足够的驱动能力来满足将要使用的输出类型。尺寸、功耗和成本将是您在选择驱动器组件时需要考虑的其他因素。

无源红外运动探测器的安全标准

表 1 列出了您的设计需要符合的关键标准，才能获得认证并获得市场认可。在开发项目中遵守这些标准将降低认证成本并缩短认证时间。符合 IEC 标准将允许您的产品在全球所有地区销售。

表 1. 管理无源红外运动探测器安全和最低操作要求的标准

稳健、可靠的设计可以具有低组件数量和低开发成本

对于红外探测器设计，稳健的设计只需要几个保护组件。您可以利用镜头/传感器/微控制器包来减少零件数量并最大限度地提高产品可靠性。确保将标准合规性作为开发项目的一个重要元素，以节省认证时间和成本。我们建议您利用制造商的应用专业知识来帮助节省选择保护和控制组件的时间，并节省大量的设计时间。制造商还可以提供有关哪些标准适用于设计的指导，并提供有关如何确保合规性的指导。这些建议将帮助您实现稳健、可靠的设计，从而减少现场故障并提供更具成本效益和盈利能力的产品。

参考文献

1.) 占用传感器市场。市场和市场。 2020 年 7 月。

参考文献

要了解更多信息，请下载 Littelfuse, Inc. 提供的《楼宇自动化应用指南》和《电路保护选择指南》。

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