作者：Ryan Sheahen， Littelfuse

本文探討了智能家居安全應(yīng)用中保護(hù)和控制電路的元件，特別是用于保護(hù)有線和無(wú)線安全攝像頭以及有線門(mén)鈴攝像頭的元件。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了智能家居安全系統(tǒng)的發(fā)展，該系統(tǒng)可為消費(fèi)者提供安全性、便利性和能源效率。新的傳感技術(shù)和無(wú)線協(xié)議（如無(wú)線局域網(wǎng)（Wi-Fi））已經(jīng)創(chuàng)造了一系列器件，可以監(jiān)控安全設(shè)備、門(mén)禁設(shè)備、家用電器、能源管理設(shè)備、電源插座、照明和娛樂(lè)系統(tǒng)。圖1說(shuō)明了支持智能家居的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣度。

圖1.智能家居技術(shù)的優(yōu)勢(shì)包括對(duì)娛樂(lè)、家電、門(mén)禁、電源和能源以及安全的控制。

智能家居安防市場(chǎng)是一個(gè)充滿活力的市場(chǎng)。住宅安全攝像頭的單位出貨量預(yù)計(jì)將從2018年的5400萬(wàn)臺(tái)增長(zhǎng)到2023年的1.2億臺(tái)。這意味著17%的大幅復(fù)合年增長(zhǎng)率(CAGR)。在這個(gè)市場(chǎng)上有很大的創(chuàng)新和新產(chǎn)品的機(jī)會(huì)。

可靠等于安全

智能家居安防產(chǎn)品需要高度可靠才能贏得市場(chǎng)份額。隨著越來(lái)越多的廠商進(jìn)入市場(chǎng)并且產(chǎn)品差異化程度縮小，產(chǎn)品質(zhì)量將成為消費(fèi)者更大的決定因素。因此，產(chǎn)品需要對(duì)過(guò)載和瞬變具有高可靠性。以下段落將為家庭安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員提供使用和選擇保護(hù)和控制其電路的元件的建議。用于保護(hù)以下產(chǎn)品的元件將被介紹：

• 有線和無(wú)線安全攝像機(jī)
• 有線門(mén)鈴攝像機(jī)

有線安全攝像機(jī)

有線安全攝像機(jī)系統(tǒng)通常是固定安裝的安全系統(tǒng)，用于監(jiān)視住宅周?chē)膮^(qū)域。圖2顯示了有線安全攝像頭以及用于保護(hù)和控制攝像頭的推薦元件。這些攝像機(jī)由交流線路供電，容易受到交流電源線上傳播的過(guò)載和瞬變的影響。此外，所有與外部環(huán)境的連接都會(huì)受到靜電放電(ESD)的影響。

設(shè)計(jì)人員將需要保護(hù)其攝像機(jī)電路免受這些危險(xiǎn)條件的損害。圖3顯示了有線安全攝像機(jī)以及為確保產(chǎn)品可靠而推薦使用的保護(hù)和控制元件的框圖。

圖2.有線安全攝像機(jī)示例以及推薦的保護(hù)和控制元件

圖3.有線安全攝像機(jī)方框圖，顯示電路及其推薦的保護(hù)和控制元件。

電源適配器

電源適配器與交流電源線連接，并且需要保護(hù)以防止電源線電流浪涌和電壓瞬變。我們建議使用熔斷器進(jìn)行過(guò)載保護(hù)，使用金屬氧化物變阻器（MOV）來(lái)保護(hù)瞬態(tài)電流浪涌，并使用瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）二極管來(lái)保護(hù)瞬態(tài)電壓。這三個(gè)元件以及為您的設(shè)計(jì)選擇的參數(shù)，將確保電源適配器對(duì)過(guò)載和瞬變具有高可靠性。

選擇慢速熔斷器，以避免由于開(kāi)關(guān)電源浪涌電流而造成熔斷器損壞。但是，為避免損壞電源適配器電路，請(qǐng)選擇能夠?qū)B續(xù)過(guò)載（例如在幾秒鐘內(nèi)達(dá)到200％過(guò)載）快速響應(yīng)的熔斷器。選擇熔斷器時(shí)，請(qǐng)不要忽略其它關(guān)鍵參數(shù)。確認(rèn)熔斷器的額定電壓是否超過(guò)電源可以達(dá)到的最大線路電壓。另外，請(qǐng)確保分?jǐn)囝~定值高于電路可能遇到的最壞情況下的電流過(guò)載。

適當(dāng)?shù)姆謹(jǐn)囝~定值將避免由于交流線路產(chǎn)生較大的瞬時(shí)過(guò)載而對(duì)熔斷器造成物理?yè)p壞。由于電源空間有限，因此請(qǐng)尋找滿足要求的小型熔斷器。最后，使用具有UL/IEC認(rèn)證的保險(xiǎn)絲來(lái)簡(jiǎn)化和加快產(chǎn)品安全合規(guī)性鑒定。

例如，對(duì)于雷電引起的大的高能量浪涌，請(qǐng)使用金屬氧化物變阻器（MOV）來(lái)保護(hù)電源，該金屬變阻器的位置應(yīng)盡可能靠近電源的輸入。MOV可以吸收高達(dá)10kA的浪涌電流，并且可以吸收超過(guò)500J的峰值脈沖能量。由于MOV與電源線接觸，因此請(qǐng)使用UL/IEC認(rèn)證的元件。

您要考慮的第三個(gè)保護(hù)元件是瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)二極管，用于保護(hù)下游電路免受電壓瞬變的影響。TVS二極管對(duì)瞬變的響應(yīng)速度極快，不到1ps。在抑制瞬變時(shí)，TVS二極管將其輸出鉗位在低電壓，以保護(hù)敏感電路。TVS二極管有單向和雙向兩種版本，鉗位電壓范圍很廣，最低可達(dá)10V。

直流輸入級(jí)

直流輸入級(jí)為控制板、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和圖像傳感器接口提供直流電壓。我們建議此電路同時(shí)使用電流過(guò)載保護(hù)和暫態(tài)電壓保護(hù)。傳統(tǒng)熔斷器或可復(fù)位聚合物正溫度系數(shù)(PPTC)熔斷器都是可選的。這兩種類型的熔斷器都有表面貼裝版本可供選擇，因此占用的PCB空間最小。TVS二極管可同樣采用節(jié)省空間的表面貼裝封裝，可承受峰值脈沖功率高達(dá)5000W的瞬變。

控制板

控制板包含攝像機(jī)智能電路。控制板包括MCU、視頻存儲(chǔ)器和有線接口電路，有線接口電路使用PoE協(xié)議在交流電源線上傳輸信息。控制板的兩個(gè)電路應(yīng)具有保護(hù)元件。這兩個(gè)電路是有線接口和存儲(chǔ)電路。

有線接口與外部環(huán)境連接，應(yīng)具有電流過(guò)載和暫態(tài)電壓保護(hù)。與直流輸入級(jí)一樣，選擇常規(guī)熔斷器或可復(fù)位熔斷器進(jìn)行電流過(guò)載保護(hù)。為了防止電壓瞬變，我們推薦一種特殊的元件，TVS二極管陣列。TVS二極管陣列保護(hù)PoEI/O線路免受ESD和其它高壓瞬變的影響。

圖4顯示了與齊納二極管相結(jié)合的雙向二極管陣列，可承受±30kV的ESD沖擊。這些二極管具有較低的1pF/端口電容，可將其對(duì)PoE協(xié)議傳輸和接收信號(hào)的影響降至最低。如圖4所示的二極管陣列配置可采用表面貼裝封裝，它們占用的PCB空間最少。

圖4.設(shè)計(jì)用于多個(gè)I/O端口ESD保護(hù)的TVS二極管陣列

電機(jī)驅(qū)動(dòng)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊具有一個(gè)平移和傾斜電機(jī)電路，可將攝像機(jī)定位以跟蹤運(yùn)動(dòng)。對(duì)于此電路，我們建議使用一個(gè)控制元件，即光電隔離固態(tài)開(kāi)關(guān)。光學(xué)隔離可防止電機(jī)噪聲和瞬變耦合回平移和傾斜控制電路中。固態(tài)開(kāi)關(guān)可提供無(wú)抖動(dòng)開(kāi)關(guān)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的平穩(wěn)控制。尋找具有零交叉開(kāi)關(guān)的固態(tài)開(kāi)關(guān)，以最大程度地減少電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)瞬變。另外，尋找具有限制電流功能的開(kāi)關(guān)，以防止電機(jī)停轉(zhuǎn)。

無(wú)線安全攝像機(jī)

為了監(jiān)視內(nèi)部空間，無(wú)線安全攝像機(jī)體積很小，可以輕松放置在任何地方。有關(guān)無(wú)線攝像機(jī)的示例，請(qǐng)參見(jiàn)圖5。圖6顯示了無(wú)線攝像機(jī)的方框圖以及該設(shè)備的推薦保護(hù)和控制元件。

圖5.帶有推薦保護(hù)元件的無(wú)線安全攝像機(jī)示例

圖6.無(wú)線安全攝像機(jī)的方框圖以及推薦的保護(hù)和傳感元件

適配器

USB適配器是無(wú)線安全攝像機(jī)的電源。由于USB適配器連接到交流電源，因此必須保護(hù)其免受電流過(guò)載和電壓瞬變的影響。與為有線安全攝像機(jī)供電的電源適配器類似，USB適配器應(yīng)具有用于過(guò)電流保護(hù)的熔斷器，用于雷擊的MOV和用于ESD保護(hù)的TVS二極管。

如果設(shè)計(jì)將使用USBType-C協(xié)議，那么USBType-C高密度連接器需要熱感應(yīng)來(lái)檢測(cè)連接器引腳之間的短路。符合USBType-C設(shè)計(jì)的熱敏元件將避免在灰塵或污垢使相鄰的連接器針腳短路時(shí)損壞電纜和連接器。請(qǐng)參閱USBType-C標(biāo)準(zhǔn)2。在糾正導(dǎo)致溫度升高的問(wèn)題后，傳感元件會(huì)以低電阻復(fù)位。

電池組

如果電池組在短路狀態(tài)下發(fā)生故障并過(guò)熱，則應(yīng)監(jiān)控電池組的過(guò)電流情況。此外，電池管理單元和USB可以經(jīng)受靜電放電（ESD）。我們建議使用可復(fù)位熔斷器，即PPTC表面貼裝保險(xiǎn)絲，以防止因電池組故障而產(chǎn)生的過(guò)電流。達(dá)到200%的過(guò)載時(shí)，PPTC熔斷器將在不到一秒的時(shí)間內(nèi)動(dòng)作，以防止一個(gè)短路的電池對(duì)多個(gè)電池造成損壞。

電池管理裝置和USB電路應(yīng)具有ESD保護(hù)。我們建議使用鉗位電壓低的多層金屬氧化物壓敏電阻來(lái)保護(hù)半導(dǎo)體元件。當(dāng)節(jié)省PCB空間是一個(gè)重要的考慮因素時(shí)，可以使用節(jié)省空間的0402表面貼裝封裝的多層MOV版本。

如果USB電路符合USBType-C協(xié)議，則應(yīng)使用和推薦用于USB適配器相同的熱敏元件來(lái)保護(hù)USB電路中匹配的USB插座。有關(guān)將熱敏指示器設(shè)計(jì)為USBType-C電路的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱我們的設(shè)計(jì)和安裝指南3。

控制板

控制板包含用于控制攝像機(jī)并保存視頻數(shù)據(jù)的數(shù)字電子設(shè)備。控制板需要針對(duì)瞬態(tài)和靜電放電（ESD）的保護(hù)。對(duì)于此電路，我們建議使用一個(gè)可承受±30kV的齊納TVS二極管。該TVS二極管的泄漏電流低于0.5μA，只從電路中汲取最少的功率。該二極管還占用少量PCB空間，可以安裝在0201表面貼裝封裝中。

無(wú)線接口

無(wú)線接口與外部無(wú)線設(shè)備（例如計(jì)算機(jī)，智能手機(jī)和移動(dòng)平板電腦）進(jìn)行通信。由于該電路暴露在內(nèi)部環(huán)境中，因此該電路容易受到ESD的影響。在這種情況下，請(qǐng)考慮使用聚合物ESD抑制器。聚合物ESD抑制器可保護(hù)電路免受高達(dá)+/-15kV的ESD沖擊（通過(guò)空氣）和±8kV的人體接觸。此外，其低于0.2pF的低電容不會(huì)降低信號(hào)傳輸或接收的性能。

門(mén)鈴攝像機(jī)

有線門(mén)鈴攝像機(jī)已經(jīng)成為一款非常受歡迎的產(chǎn)品，可以遠(yuǎn)程查看訪客。圖7顯示了門(mén)鈴攝像機(jī)示例，圖8顯示了帶有推薦保護(hù)和控制元件的方框圖。

圖7.有線門(mén)鈴攝像機(jī)示例以及推薦的保護(hù)和控制解決方案

圖8.帶有推薦保護(hù)和控制元件的有線門(mén)鈴攝像機(jī)方框圖

電源裝置

電源裝置與來(lái)自交流電源線的降壓交流電壓連接，可承受電流過(guò)載和電壓瞬變，如雷電引起的瞬變。與其它電源電路一樣，熔斷器可以防止電流過(guò)載。為了防止交流線路上的電壓瞬變，請(qǐng)選擇能吸收功率高達(dá)4kW瞬變的TVS二極管。考慮使用光學(xué)隔離固態(tài)繼電器來(lái)控制其它電路的電源，并防止電源線上的噪聲和瞬態(tài)傳播到下游電路。

電池組

電池組為控制板和用戶界面提供備用電源。電池組及其子單元、電池管理單元和USB電路需要使用為無(wú)線攝像機(jī)中的相同電路推薦的類似元件進(jìn)行過(guò)電流和瞬態(tài)保護(hù)。增加一個(gè)TVS二極管將確保抑制電壓瞬變和ESD沖擊。與無(wú)線攝像機(jī)中的電池組一樣，如果USBType-C協(xié)議是設(shè)計(jì)要求，我們建議對(duì)USB電路進(jìn)行熱感應(yīng)。

用戶界面

用戶界面會(huì)受到人為接觸的靜電放電的影響。使用TVS二極管來(lái)保護(hù)用戶界面免受ESD的影響。如果門(mén)鈴攝像機(jī)將在歐洲銷(xiāo)售，則需要在激活門(mén)鈴和攝像機(jī)之間進(jìn)行切換，以符合歐洲隱私法規(guī)。請(qǐng)考慮使用固態(tài)繼電器來(lái)消除機(jī)械繼電器觸點(diǎn)彈跳和電磁干擾（EMI）的產(chǎn)生。

控制板和無(wú)線接口

門(mén)鈴攝像機(jī)的控制板和無(wú)線接口電路的功能與無(wú)線攝像機(jī)相同。為無(wú)線攝像機(jī)中的這些電路推薦的保護(hù)元件將適用于門(mén)鈴攝像機(jī)中的相同電路。

新冠肺炎大流行正在影響安全攝像機(jī)的設(shè)計(jì)

一些安全攝像機(jī)制造商正在適應(yīng)新冠肺炎大流行帶來(lái)的“新常態(tài)”。他們正在將紅外熱感測(cè)技術(shù)添加到攝像機(jī)中，這樣就可以對(duì)到家里或企業(yè)的訪客的溫度進(jìn)行離散監(jiān)控。溫度測(cè)量可能成為未來(lái)智能家居安防系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)功能。隨著安全攝像頭越來(lái)越復(fù)雜，包括這方面的健康安全，結(jié)合適當(dāng)?shù)碾娐繁Ｗo(hù)有助于開(kāi)發(fā)更可靠和強(qiáng)大的設(shè)備。

圖9.安全攝像頭增加了熱掃描功能來(lái)監(jiān)控體溫以防止新冠肺炎

家用安全攝像機(jī)的適用標(biāo)準(zhǔn)

表1所示的兩個(gè)安全標(biāo)準(zhǔn)定義了對(duì)音頻/視頻通信技術(shù)設(shè)備和電池（例如鋰電池）的要求。IEC62368-1涉及了監(jiān)控設(shè)備的安全要求；第二個(gè)標(biāo)準(zhǔn)IEC62311-2規(guī)定了確保鋰電池和電池安全的要求。鋰電池的不當(dāng)組裝和操作可能會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)；因此，對(duì)這些類型的電池進(jìn)行監(jiān)控至關(guān)重要。不遵守這些標(biāo)準(zhǔn)將導(dǎo)致重新設(shè)計(jì)工作和再次向標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)提交認(rèn)證。項(xiàng)目成本將會(huì)增加，產(chǎn)品的推出可能會(huì)推遲。

表1.具有監(jiān)控?cái)z像機(jī)的產(chǎn)品的安全標(biāo)準(zhǔn)

保護(hù)的價(jià)值

通過(guò)將保護(hù)和感測(cè)元件作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，并在項(xiàng)目早期將標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)性納入其中，您可以經(jīng)濟(jì)高效地開(kāi)發(fā)出強(qiáng)大而可靠的智能家居安全系統(tǒng)。當(dāng)然，您的設(shè)計(jì)總是在性能和總擁有成本之間進(jìn)行權(quán)衡。雖然有些技術(shù)的成本可能比其它技術(shù)高，但其它因素可能表明，最低的總擁有成本需要成本更高的元件技術(shù)。選擇保護(hù)，控制和傳感元件時(shí)，請(qǐng)充分利用元件制造商的工程專業(yè)知識(shí)。使用值得信賴的供應(yīng)商可以節(jié)省您的時(shí)間和資源。

可靠性和效率提高了您的智能家居安全系統(tǒng)的聲譽(yù)。高質(zhì)量的聲譽(yù)可以導(dǎo)致市場(chǎng)份額的增長(zhǎng)和收入的增長(zhǎng)。從而提高了盈利能力。

有關(guān)電路保護(hù)、傳感器件和元件選擇標(biāo)準(zhǔn)的更多信息，請(qǐng)參閱Littelfuse提供的《電路保護(hù)選擇指南》和《傳感產(chǎn)品選擇指南》。

編輯：hfy