设计稳健运动探测器：低器件数、高可靠红外方案

通过一款大幅削减元器件数量、提升性能与可靠性的红外探测器组件，探讨如何确保运动探测器设计抗御外部干扰

智能家居与楼宇借助智能技术变得更便捷、安全、节能。图 1 展示了面向家庭与楼宇的丰富产品线，用户可自动监控与控制。

红外运动探测器兼具便利、安全与节能：感知区域占用状态，进而触发照明、暖通空调 (HVAC) 或报警。若承担安防功能，则需 7×24 小时可靠运行。

图 1. 赋能家庭与楼宇安全、便利、节能的智能设备

被动红外 (PIR) 技术凭借可靠性能与低成本主导运动感测市场，复合年增长率超 13%，预计 2025 年规模突破 35 亿美元¹。增长驱动力包括：

• 住宅安防监控需求
• 无线连接与物联网降低安装成本
• 政府节能倡议在公共与商业领域推广
• 增长市场催生创新设计机遇

防护、控制与感测元器件

PIR 探测器用于室内或室外监控，必须抗御环境干扰。若由市电供电，需承受交流线路上的过流冲击与过压瞬变。除电路防护外，高效控制与可靠感测性能是优质产品的关键。

图 2 以示例探测器标注推荐的防护、控制、感测元器件，提升可靠性与性能。

图 2. 被动红外运动探测器推荐防护、控制、感测元器件示例

图 3 给出方框图，标明各推荐元器件所在电路板块，逐块详述。

图 3. 被动红外运动探测器方框图，标注推荐元器件所在电路

交流/直流供电级

为后续电路提供直流电源，直接接触市电，面临过流浪涌与过压瞬变。雷击、电机启停感应尖峰、电网电压波动均可引发干扰。

推荐金属氧化物压敏电阻 (MOV) 作为第一道防线，尽量靠近交流输入端，缩短瞬变传播路径。选型要点：

• 安全吸收高达 10 kA 峰值浪涌电流或 150 J 脉冲能量，抵御雷击
• 低钳位电压，保护下游电路
• 工作温度范围覆盖探测器环境规格（酚醛涂层 MOV 可达 125°C）
• 通过 UL 或 IEC 认证，缩短资质认证周期

AC/DC 输出端建议增加瞬态抑制二极管 (TVS)，进一步保护所有负载电路。TVS 优势：

• 吸收高达 600 W 峰值脉冲功率或 100 A 峰值浪涌电流
• ESD 防护高达 30 kV（空气放电或接触放电）
• 超快响应，<1 ps
• 钳位电压低至 10 V 版本可选
• UL/IEC 组件认证

图 4 展示双向 (串联双二极管) 与单向 (单二极管) TVS 封装。正常工况下功耗 <1 µA，且提供贴片封装节省 PCB 面积。

图 4. 用于 ESD 与电气瞬变防护的双向和单向 TVS 二极管

运动传感器与 MCU

核心元件为红外辐射传感器与微控制器 (MCU)。市面已有集成传感器、透镜与 MCU 的完整封装 (见图 5)，优势包括：

• BOM 精简：传感器直连 MCU
• MCU 内置 CPU、RAM、定时器、比较器、A/D、通讯接口及传感器固件，覆盖完整检测处理链路
• 双元或四元传感器配合透镜，提供多样视场角选项
• 可用低成本、小尺寸陶瓷电容替代漏电大、寿命短的电解电容
• 内置先进运动检测算法，管理灵敏度、范围、视场
• MCU 灵活支持用户自定义功能

为省电，选型时关注无运动时的低功耗模式。图 6 示例集成封装，减少元件、免电解电容，提升可靠性、节省空间、降成本。

图 5. 透镜、传感器、微控制器组合封装框图

图 6. 透镜-传感器-MCU 红外运动探测器组件实例 (Zilog)。透镜与传感器在板顶，MCU 在传感器下方。

报警电路

红外传感器检测到足量运动时触发报警，典型驱动闪烁 LED 或 LED+蜂鸣器组合。需控制元件驱动外部装置，可选干簧继电器或固态继电器，均提供高压驱动与低压逻辑的电气隔离。固态继电器输出触点寿命更长，干簧继电器功耗更低。

干簧继电器提供紧凑单列直插封装 (SIP)，可内置反向 EMF 抑制二极管保护线圈驱动电路，并可选磁屏蔽防止线圈 EMI 干扰控制电路。触点寿命超传统电磁继电器，对宽温域环境相对免疫。

固态继电器通过输入 LED 与输出光电晶体管光耦隔离，输入输出隔离耐压达 1500 Vrms。多采用过零开关逻辑消除 EMI/RF，关态漏电流 <1 µA，提供贴片封装节省空间。

驱动元件选择取决于触点/输出驱动能力、尺寸、功耗、成本等综合考量。

被动红外运动探测器安全标准

表 1 列出设计必须符合的关键标准，以获认证与市场准入。开发阶段同步合规可降低认证成本与周期。遵循 IEC 标准可实现全球销售。

表 1. 管辖被动红外运动探测器安全与最低运行要求的标准

稳健可靠设计可兼顾低器件数与低开发成本

红外探测器仅需少量防护元件即可实现稳健设计。利用透镜/传感器/MCU 组合封装削减 BOM、最大化可靠性。将标准合规纳入开发关键环节，节省认证时间与成本。建议利用厂商应用专长辅助防护控制元件选型、标准适用性判断与合规指导，打造少故障、高性价比、更盈利的产品。

参考文献

1.) Occupancy Sensor Market. Markets and Markets. July 2020.

参考资料

下载 Building Automation Application Guide 与 Circuit Protection Selection Guide 了解更多 (Littelfuse, Inc. 提供)。

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