智能家居安全应用的电路保护、控制和传感设计注意事项

周二, 15 六月 2021 - 15:32

作者：Ryan Sheahen, Littelfuse

本文探讨了智能家居安全应用中保护和控制电路的元件，特别是用于保护有线和无线安全摄像头以及有线门铃摄像头的元件。

物联网技术的进步推动了智能家居安全系统的发展，该系统可为消费者提供安全性、便利性和能源效率。新的传感技术和无线协议（如无线局域网（Wi-Fi））已经创造了一系列器件，可以监控安全设备、门禁设备、家用电器、能源管理设备、电源插座、照明和娱乐系统。图1说明了支持智能家居的物联网技术的广度。

图1.智能家居技术的优势包括对娱乐、家电、门禁、电源和能源以及安全的控制。

智能家居安防市场是一个充满活力的市场。住宅安全摄像头的单位出货量预计将从2018年的5400万台增长到2023年的1.2亿台。这意味着17%的大幅复合年增长率(CAGR)。在这个市场上有很大的创新和新产品的机会。

可靠等于安全

智能家居安防产品需要高度可靠才能赢得市场份额。随着越来越多的厂商进入市场并且产品差异化程度缩小，产品质量将成为消费者更大的决定因素。因此，产品需要对过载和瞬变具有高可靠性。以下段落将为家庭安全系统的设计人员提供使用和选择保护和控制其电路的元件的建议。用于保护以下产品的元件将被介绍：

<ul>
<li>有线和无线安全摄像机</li>
<li>有线门铃摄像机</li>
</ul>

有线安全摄像机

有线安全摄像机系统通常是固定安装的安全系统，用于监视住宅周围的区域。图2显示了有线安全摄像头以及用于保护和控制摄像头的推荐元件。这些摄像机由交流线路供电，容易受到交流电源线上传播的过载和瞬变的影响。此外，所有与外部环境的连接都会受到静电放电(ESD)的影响。 
设计人员将需要保护其摄像机电路免受这些危险条件的损害。图3显示了有线安全摄像机以及为确保产品可靠而推荐使用的保护和控制元件的框图。

图2.有线安全摄像机示例以及推荐的保护和控制元件

图3.有线安全摄像机方框图，显示电路及其推荐的保护和控制元件。

电源适配器

电源适配器与交流电源线连接，并且需要保护以防止电源线电流浪涌和电压瞬变。我们建议使用熔断器进行过载保护，使用金属氧化物变阻器（MOV）来保护瞬态电流浪涌，并使用瞬态电压抑制器（TVS）二极管来保护瞬态电压。这三个元件以及为您的设计选择的参数，将确保电源适配器对过载和瞬变具有高可靠性。 
选择慢速熔断器，以避免由于开关电源浪涌电流而造成熔断器损坏。但是，为避免损坏电源适配器电路，请选择能够对连续过载（例如在几秒钟内达到200％过载）快速响应的熔断器。选择熔断器时，请不要忽略其它关键参数。确认熔断器的额定电压是否超过电源可以达到的最大线路电压。另外，请确保分断额定值高于电路可能遇到的最坏情况下的电流过载。

适当的分断额定值将避免由于交流线路产生较大的瞬时过载而对熔断器造成物理损坏。由于电源空间有限，因此请寻找满足要求的小型熔断器。最后，使用具有UL / IEC认证的保险丝来简化和加快产品安全合规性鉴定。

例如，对于雷电引起的大的高能量浪涌，请使用金属氧化物变阻器（MOV）来保护电源，该金属变阻器的位置应尽可能靠近电源的输入。 MOV可以吸收高达10 kA的浪涌电流，并且可以吸收超过500 J的峰值脉冲能量。由于MOV与电源线接触，因此请使用UL / IEC认证的元件。

您要考虑的第三个保护元件是瞬态电压抑制器(TVS)二极管，用于保护下游电路免受电压瞬变的影响。TVS二极管对瞬变的响应速度极快，不到1ps。在抑制瞬变时，TVS二极管将其输出钳位在低电压，以保护敏感电路。TVS二极管有单向和双向两种版本，钳位电压范围很广，最低可达10V。

直流输入级

直流输入级为控制板、电机驱动器和图像传感器接口提供直流电压。我们建议此电路同时使用电流过载保护和暂态电压保护。传统熔断器或可复位聚合物正温度系数(PPTC)熔断器都是可选的。这两种类型的熔断器都有表面贴装版本可供选择，因此占用的PCB空间最小。TVS二极管可同样采用节省空间的表面贴装封装，可承受峰值脉冲功率高达5000 W的瞬变。

控制板

控制板包含摄像机智能电路。控制板包括MCU、视频存储器和有线接口电路，有线接口电路使用PoE协议在交流电源线上传输信息。控制板的两个电路应具有保护元件。这两个电路是有线接口和存储电路。

有线接口与外部环境连接，应具有电流过载和暂态电压保护。与直流输入级一样，选择常规熔断器或可复位熔断器进行电流过载保护。为了防止电压瞬变，我们推荐一种特殊的元件，TVS二极管阵列。TVS二极管阵列保护PoE I/O线路免受ESD和其它高压瞬变的影响。

图4显示了与齐纳二极管相结合的双向二极管阵列，可承受±30 kV的ESD冲击。这些二极管具有较低的1pF/端口电容，可将其对PoE协议传输和接收信号的影响降至最低。如图4所示的二极管阵列配置可采用表面贴装封装，它们占用的PCB空间最少。

图4. 设计用于多个I / O端口ESD保护的TVS二极管阵列

电机驱动

电机驱动模块具有一个平移和倾斜电机电路，可将摄像机定位以跟踪运动。对于此电路，我们建议使用一个控制元件，即光电隔离固态开关。光学隔离可防止电机噪声和瞬变耦合回平移和倾斜控制电路中。固态开关可提供无抖动开关，以实现对电机的平稳控制。寻找具有零交叉开关的固态开关，以最大程度地减少电动机的启动瞬变。另外，寻找具有限制电流功能的开关，以防止电机停转。

无线安全摄像机

为了监视内部空间，无线安全摄像机体积很小，可以轻松放置在任何地方。有关无线摄像机的示例，请参见图5。图6显示了无线摄像机的方框图以及该设备的推荐保护和控制元件。

图5.带有推荐保护元件的无线安全摄像机示例

图6.无线安全摄像机的方框图以及推荐的保护和传感元件

适配器

USB适配器是无线安全摄像机的电源。由于USB适配器连接到交流电源，因此必须保护其免受电流过载和电压瞬变的影响。与为有线安全摄像机供电的电源适配器类似，USB适配器应具有用于过电流保护的熔断器，用于雷击的MOV和用于ESD保护的TVS二极管。

如果设计将使用USB Type-C协议，那么USB Type-C高密度连接器需要热感应来检测连接器引脚之间的短路。符合USB Type-C设计的热敏元件将避免在灰尘或污垢使相邻的连接器针脚短路时损坏电缆和连接器。请参阅USB Type-C 标准2。在纠正导致温度升高的问题后，传感元件会以低电阻复位。

电池组

如果电池组在短路状态下发生故障并过热，则应监控电池组的过电流情况。此外，电池管理单元和USB可以经受静电放电（ESD）。我们建议使用可复位熔断器，即PPTC表面贴装保险丝，以防止因电池组故障而产生的过电流。达到200%的过载时，PPTC熔断器将在不到一秒的时间内动作，以防止一个短路的电池对多个电池造成损坏。 
电池管理装置和USB电路应具有ESD保护。我们建议使用钳位电压低的多层金属氧化物压敏电阻来保护半导体元件。当节省PCB空间是一个重要的考虑因素时，可以使用节省空间的0402表面贴装封装的多层MOV版本。

如果USB电路符合USB Type-C协议，则应使用和推荐用于USB适配器相同的热敏元件来保护USB电路中匹配的USB插座。有关将热敏指示器设计为USB Type-C电路的更多详细信息，请参阅我们的设计和安装指南3。

控制板

控制板包含用于控制摄像机并保存视频数据的数字电子设备。控制板需要针对瞬态和静电放电（ESD）的保护。对于此电路，我们建议使用一个可承受±30 kV的齐纳TVS二极管。该TVS二极管的泄漏电流低于0.5 µA，只从电路中汲取最少的功率。该二极管还占用少量PCB空间，可以安装在0201表面贴装封装中。

无线接口

无线接口与外部无线设备（例如计算机，智能手机和移动平板电脑）进行通信。由于该电路暴露在内部环境中，因此该电路容易受到ESD的影响。在这种情况下，请考虑使用聚合物ESD抑制器。聚合物ESD抑制器可保护电路免受高达+/- 15 kV的ESD冲击（通过空气）和±8kV的人体接触。此外，其低于0.2 pF的低电容不会降低信号传输或接收的性能。 
门铃摄像机

有线门铃摄像机已经成为一款非常受欢迎的产品，可以远程查看访客。图7显示了门铃摄像机示例，图8显示了带有推荐保护和控制元件的方框图。

图7.有线门铃摄像机示例以及推荐的保护和控制解决方案

图8. 带有推荐保护和控制元件的有线门铃摄像机方框图

电源装置

电源装置与来自交流电源线的降压交流电压连接，可承受电流过载和电压瞬变，如雷电引起的瞬变。与其它电源电路一样，熔断器可以防止电流过载。为了防止交流线路上的电压瞬变，请选择能吸收功率高达4kW瞬变的TVS二极管。考虑使用光学隔离固态继电器来控制其它电路的电源，并防止电源线上的噪声和瞬态传播到下游电路。

电池组

电池组为控制板和用户界面提供备用电源。电池组及其子单元、电池管理单元和USB电路需要使用为无线摄像机中的相同电路推荐的类似元件进行过电流和瞬态保护。增加一个TVS二极管将确保抑制电压瞬变和ESD冲击。与无线摄像机中的电池组一样，如果USB Type-C协议是设计要求，我们建议对USB电路进行热感应。

用户界面

用户界面会受到人为接触的静电放电的影响。使用TVS二极管来保护用户界面免受ESD的影响。如果门铃摄像机将在欧洲销售，则需要在激活门铃和摄像机之间进行切换，以符合欧洲隐私法规。请考虑使用固态继电器来消除机械继电器触点弹跳和电磁干扰（EMI）的产生。

控制板和无线接口

门铃摄像机的控制板和无线接口电路的功能与无线摄像机相同。为无线摄像机中的这些电路推荐的保护元件将适用于门铃摄像机中的相同电路。

新冠肺炎大流行正在影响安全摄像机的设计

一些安全摄像机制造商正在适应新冠肺炎大流行带来的“新常态”。他们正在将红外热感测技术添加到摄像机中，这样就可以对到家里或企业的访客的温度进行离散监控。温度测量可能成为未来智能家居安防系统的标准功能。随着安全摄像头越来越复杂，包括这方面的健康安全，结合适当的电路保护有助于开发更可靠和强大的设备。

图9.安全摄像头增加了热扫描功能来监控体温以防止新冠肺炎

家用安全摄像机的适用标准

表1所示的两个安全标准定义了对音频/视频通信技术设备和电池（例如锂电池）的要求。IEC 62368-1涉及了监控设备的安全要求；第二个标准IEC 62311-2规定了确保锂电池和电池安全的要求。锂电池的不当组装和操作可能会导致火灾；因此，对这些类型的电池进行监控至关重要。不遵守这些标准将导致重新设计工作和再次向标准机构提交认证。项目成本将会增加，产品的推出可能会推迟。

表1.具有监控摄像机的产品的安全标准

保护的价值

通过将保护和感测元件作为设计目标，并在项目早期将标准合规性纳入其中，您可以经济高效地开发出强大而可靠的智能家居安全系统。当然，您的设计总是在性能和总拥有成本之间进行权衡。虽然有些技术的成本可能比其它技术高，但其它因素可能表明，最低的总拥有成本需要成本更高的元件技术。选择保护，控制和传感元件时，请充分利用元件制造商的工程专业知识。使用值得信赖的供应商可以节省您的时间和资源。

可靠性和效率提高了您的智能家居安全系统的声誉。高质量的声誉可以导致市场份额的增长和收入的增长。从而提高了盈利能力。

有关电路保护、传感器件和元件选择标准的更多信息，请参阅Littelfuse提供的《电路保护选择指南》和《传感产品选择指南》。