本文為設(shè)計人員提供了三種關(guān)鍵技術(shù)的信息：保護(hù)、控制和檢測，用于開發(fā)對外部過載、瞬態(tài)和 ESD 具有魯棒性的電熱水器。代表這些技術(shù)的組件將有助于創(chuàng)建安全，高效，長壽命的熱水器，可以安全地控制水溫。通過使用推薦的組件，設(shè)計工程師將實現(xiàn)開發(fā)高質(zhì)量、可靠、智能熱水器的目標(biāo)。

包括物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 在內(nèi)的新技術(shù)使每種產(chǎn)品（包括電器、照明和 HVAC 系統(tǒng)）都成為計算機(jī)控制的智能設(shè)備。從本質(zhì)上講，任何執(zhí)行一定程度控制的產(chǎn)品都可以成為智能設(shè)備。這個概念也適用于無處不在的熱水器。因此，電熱水器市場正以7.4%的復(fù)合年增長率以有吸引力的速度增長。政府正在通過激勵消費(fèi)者將其燃?xì)鉄崴到y(tǒng)轉(zhuǎn)換為電力系統(tǒng)來實現(xiàn)凈零排放倡議來刺激增長。此外，一些地區(qū)的新建筑規(guī)范將不允許天然氣連接，進(jìn)一步加速熱水器等全電動產(chǎn)品的增長。

為熱水器添加智能功能增加了敏感的電子電路。設(shè)計人員有責(zé)任通過保護(hù)電子設(shè)備免受電流過載、電壓瞬變、靜電放電 （ESD） 和過熱的影響來確保熱水器的可靠性。保護(hù)電子設(shè)備還可以確保接觸熱水器的個人免受熱和電危害。設(shè)計人員還需要確保使用長壽命組件。

智能電熱水器概述

像當(dāng)今幾乎所有可用的電氣和電子產(chǎn)品一樣，電熱水器使用微控制器來處理編程信息并在所需溫度下供水。熱水器使用交流線路電源來控制加熱元件，并為微控制器和其他直流電路（如觸摸屏顯示器和無線接口）供電。溫度探頭提供輸入和輸出水溫，使微控制器能夠控制加熱元件。

本文介紹了如何保護(hù)電路模塊，并提供了應(yīng)用控制和傳感的適當(dāng)組件解決方案。

保護(hù)熱水器免受過載、瞬變和 ESD 的影響

交流輸入保護(hù)電路

交流輸入保護(hù)塊可保護(hù)熱水器電路免受交流線路上固有的電流過載和高壓瞬變的影響。使用保險絲防止電流過載，使用金屬氧化物壓敏電阻（MOV）吸收交流線路上感應(yīng)的電壓瞬變。

考慮使用盒式保險絲，以便在電流過載導(dǎo)致保險絲跳閘時輕松更換。確保支持保險絲的保險絲座符合 UL/CSA/IEC 標(biāo)準(zhǔn)。

使用金屬氧化物壓敏電阻 （MOV） 吸收來自機(jī)械、電器甚至閃電的交流線路感應(yīng)電壓瞬變。尋找具有以下功能的 MOV：

能夠吸收高達(dá) 10 kA 的瞬態(tài)電流

吸收至少 400 J 瞬態(tài)能量的能力

符合IEC 61051-1和61051-2，電子設(shè)備中使用的壓敏電阻。

交流/直流輔助電源

AC/DC 輔助電源為 MCU、觸摸屏顯示器和無線接口供電。考慮敏感半導(dǎo)體的二次熔斷和瞬態(tài)保護(hù)。在此電路中使用快速熔斷直流保險絲。此外，考慮一個瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）二極管，它可以吸收高達(dá)400 W的脈沖功率。TVS二極管可以在不到0.1 ps的時間內(nèi)箝位瞬態(tài)，以避免損壞敏感的半導(dǎo)體。為了節(jié)省印刷電路板空間，請尋找表面貼裝TVS二極管。

觸摸屏顯示

用戶直接與顯示器接觸，設(shè)置熱水器的控制并獲取熱水器的狀態(tài)。因此，顯示器容易受到人體接觸的ESD。使用 TVS 二極管保護(hù)觸摸屏顯示電路。TVS 二極管型號符合 IEC 61000-4-2 靜電放電抗擾度測試，并為空中撞擊或直接接觸提供高達(dá) 30 kV 的 ESD 保護(hù)。

無線接口

無線接口從 PC、PLC、平板電腦和智能手機(jī)傳輸數(shù)據(jù)并接收控制信息。保護(hù)數(shù)據(jù)線免受ESD的影響可避免數(shù)據(jù)傳輸和接收損壞。考慮圖3所示的雙向TVS二極管陣列。該 TVS 二極管的版本可以安全地吸收 ±12 kV 的接觸式 ESD 放電和 40 A 的快速瞬變。這些二極管通過向電路增加小于0.1 pf的電容來最小化信號失真。

或者，考慮使用聚合物ESD來保護(hù)數(shù)據(jù)線。這些元件具有低電容，通常低于0.25 pF。漏電流低于 10 nA，以最大限度地降低無線接口電路中的功耗

最大限度地提高熱水器的效率和使用壽命

電熱水器通常使用TRIAC來控制加熱元件。TRIAC只需要一個低功耗驅(qū)動電路進(jìn)行控制，它消除了在切換加熱器電源時的觸點反彈，并且沒有可聞的噪音。TRIAC具有高可靠性，其版本提供高達(dá)250 A的浪涌容量和高達(dá)100 V的電壓容量。TRIAC提供的固態(tài)開關(guān)可提供可靠的長壽命操作。

無罐熱水器通常有一個加熱元件，但較大的系統(tǒng)可以有兩個加熱元件。一個元件位于水箱頂部，第二個加熱元件位于水箱底部。對于快速加熱，無罐系統(tǒng)通常使用 40 A 或 90 A TRIAC 組件，其組件比具有類似接觸電流額定值的機(jī)電繼電器小得多。儲罐系統(tǒng)通常使用較低功率的 16 A 或 25 A TRIAC。

控制水溫，防止熱水器過熱

使用熱敏電阻溫度探頭監(jiān)測進(jìn)水口和出水口的水溫。熱敏電阻提供比其他溫度傳感器類型更精確的溫度監(jiān)控。熱敏電阻探頭的快速熱響應(yīng)有助于提高熱水器的效率。此外，利用熱敏電阻的小尺寸。

包括用于電路保護(hù)、高效控制和傳感的組件的好處

保護(hù)熱水器并提高其可靠性不需要很多組件。通過將電路保護(hù)、高效控制和傳感這三種技術(shù)納入項目計劃，節(jié)省開發(fā)和一致性測試時間。不強(qiáng)調(diào)設(shè)計的這些方面可能會導(dǎo)致重新設(shè)計、引入延遲和成本超支。

幸運(yùn)的是，組件制造商的應(yīng)用工程師可以通過以下方式幫助節(jié)省開發(fā)時間：

經(jīng)濟(jì)高效的組件選擇

適用標(biāo)準(zhǔn)指南

預(yù)一致性測試，以幫助在熱水器提交給標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行合規(guī)性測試之前發(fā)現(xiàn)問題。

使用推薦的組件進(jìn)行保護(hù)、控制和傳感將確保高可靠性熱水器具有低保修期內(nèi)維修成本和高客戶滿意度。

審核編輯：郭婷