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智能家居系统电路保护

发布时间:2018-06-24 01:07:00 文章来源:未来智讯    
    关键词:智能家居;过电压;过电流;2Pro;PPTC
    DOI:10.3969/j.issn.1005-5517.2015.6.019
    随着互联网技术高速发展,传统行业与互联网行业融合已是大势所趋。智能家居这一概念已产生多年,近年来伴随建筑、家电、安全防护、互联网和通信以及IT等行业的快速成长,智能家居行业开始呈现蓬勃发展之势。由于智能家居系统涉及多个行业,如建筑、装潢、家电、互联网等,行业间的协调和标准统一方面目前还不成熟,这要求智能家居系统更多地考虑产品的安全特性,例如对于施工现场可能出现的错接、短路等误操作具有极强的保护性且维修成本低:另外智能家居的安装和布线可能是一次性的,所以系统最好具有极高的可靠性,对应用过程中可能出现的雷击浪涌、电网过电压、静电等能够及时保护。
    实际应用中,智能家居系统的电源接口和信号接口极易受到雷击浪涌、电网电压波动、静电和老化短路、接线错误等过电压及过电流故障侵害,导致系统故障或损坏。为提高系统的安全性和可靠性,需要在设计时考虑对其相应接口做充分的保护。
    1 系统电源口防护
    对于存在交流供电输入口的产品,供电口常见的可能出现的异常输入包括雷击、电源零线丢失、输入电压错误、电力线感应等过电压故障和错接、短路等过电流故障。这些故障可能会使智能家居这类的低功率系统损坏,可以通过单独或联合采用PPTC或Fuse(保险丝)以及MOV(金属氧化物压敏电阻)等器件实现保护。
    如图1所示的典型应用电路所示,由PPTC和MOV耦合而成的2Pro产品,在发生偶然的瞬态过压时,并联于电路中的MOV导通泄放故障能量,而其过程中如果存在过高的电流或热量会使耦合的PPTC进入高阻状态,从而降低Mov元件失效的风险;同时串联于电路中的PPTC则可以对可能过电流故障进行及时的保护。从图2所示的典型雷击浪涌响应曲线可以看出,2Pro产品可以及时地保护下游设备免遭浪涌瞬时过电压的破坏。2Pro的耦合集成设计比单一的分立器件设计对过电压、过电流及过温有着更可靠的保护效果,如图3所示,这是因为在某些故障条件下,如零线丢失,即便上游使用的分立的保险丝或功率电阻,MOV也可能会过热而烧毁从而导致灾难性后果。
    2 DC口供电保护
    对于直流口,供电口常见的可能出现异常输入包括错接电源、反接电源等过电压故障和短路等过电流故障。这些故障可能会使智能家居这类低功率系统损坏,如果通过其他的方案来实现这些保护,可能会用到PPTC或Fuse、二极管、场效应管、IC及阻容等,需要的周边器件比较多,成本及空间要求高。而TE的PolyZEN产品在更可靠地解决这些问题的同时,可以有效节约设计空间和成本,器件的可恢复特性则大大地有利于后期维护。
    PolyZEN由PPTC和Zener管耦合而成,在输入电压异常的情况下,PolyZEN能够输出较为稳定的电压,可以保护输入电源错误或反接电源的故障情形:在回路电流异常的情况下,PPTC可以有效地“切断”电路,使得下游电子设备得到有效的保护。图4是PolyZEN典型的应用示意图。
    图5所示的是PolyZEN在错接输入电源情况下的响应曲线,当输入电源超出规定值时,Zener管击穿,电流从Zener管泄放,输出电压稳定在设计值范围内,此时Zener管发热,使得耦合的PPTC动作,限制回流电流,保护电子设备。动作时间在ms级,且故障排除后器件可恢复。PolyZEN的热耦合设计,使得<1W封装的PolyZEN产品可以耐受100W以上的错误电源输入,却不需要除印制电路导体带之外的任何特殊散热结构。
    更为吸引人的是,充分考量下游负载和可能的过电压输入,在某些条件下,即使输入电源错误,PolyZEN不仅可以保护下游电路不被损坏,而且可以维持设备的正常运行,如图6所示。PolyZEN的使用,使得智能家居系统更为稳健,能够适应恶劣的使用环境。
    不仅如此,PolyZEN还具有静电和浪涌防护等功能,一颗小小的器件,却能带给工程师无限的惊喜。新一代的PolyZEN拥有很小的封装,已经广泛地应用与汽车电子、消费电子和工业等各个领域。
    3 信号线保护
    智能家居系统的信号线由于现场操作的失误,容易出现错接电源线、绝缘损伤短路、雷击浪涌等情况。图7是典型的信号口保护电路方案,可以保护雷击浪涌、电力线搭接、短路等智能家居中常见的故障情况。通过PPTC/GDT/TVS等过流、过压保护器件的联用,形成对下游电路的有效保护。具体器件的选型,应根据客户的应用要求、故障类型及保护等级要求等方面加以考量和测试,确保产品的高可靠性。
    智能家居系统伴随着人们的日常生活。静电在日常生活中是十分常见的,人体摩擦感应的静电甚至可达到15kV以上。静电及其放电可通过力学效应、热效应、强电场效应等对元器件造成破坏或损伤,既可能是永久性的(如功能丧失,不能恢复),也可能是暂时性的(如静电放电产生的干扰使功能暂时丧失):既可能是突发失效,也可能是潜在失效,具有极强的隐蔽性、潜在性、随机性及复杂性。
    IC和MosFET等电子器件是静电危害的重灾区,其中80%的损失都是潜在性的,会导致电路功能暂时性失效。图8是ESD对IC和MosFET的破坏和损伤:电路如果没有有效的静电防护措施,常常会出现功能异常、死机等,严重的,甚至可能产生人身损伤或财产损失。
    TE的PESD和SESD器件可以有效的保护信号线的静电故障,寄生电容(图9)极低,可以应用于常规的信号线及RF天线等。
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