無(wú)線通信、互聯(lián)網(wǎng)和電子電路的發(fā)展推動(dòng)了智能設(shè)備的發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正在向智能設(shè)備（物聯(lián)網(wǎng)）發(fā)展。提供電源控制、安全、環(huán)境控制和娛樂功能的智能設(shè)備在家庭中越來(lái)越普遍?，F(xiàn)在有智能版本的非智能電源控制設(shè)備包括調(diào)光器、電源插座和接地故障電路中斷器（GFCI）/電弧故障電路中斷器（AFCI）。

雖然非智能設(shè)備只能手動(dòng)控制或始終通電，但智能設(shè)備具有允許自動(dòng)控制和狀態(tài)反饋的電子設(shè)備和固件。智能設(shè)備是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的一個(gè)組成部分，對(duì)來(lái)自個(gè)人計(jì)算機(jī)、平板電腦、智能手機(jī)或虛擬助手的控制作出響應(yīng)。這些產(chǎn)品使用無(wú)線通信協(xié)議（如蜂窩、Wi-Fi或藍(lán)牙）訪問(wèn)智能設(shè)備。

設(shè)計(jì)者面臨的挑戰(zhàn)是確保這些新的智能設(shè)備安全可靠，這樣消費(fèi)者就可以在沒有中斷服務(wù)風(fēng)險(xiǎn)的情況下?lián)碛懈呖煽啃浴Ｒ虼?，設(shè)備需要過(guò)電壓保護(hù)和過(guò)電流保護(hù)，以維持運(yùn)行，即使在受到廣泛的環(huán)境危害時(shí)，如雷電沖擊、感應(yīng)功率浪涌、靜電放電（ESD）和電快速瞬變。本文為設(shè)計(jì)者提供了保護(hù)和低功耗控制元件的建議，這些元件既能防止過(guò)載損壞敏感電路，又能最大限度地提高器件效率。

調(diào)光器和電源插座連接到交流電源線上，并受到交流線路上可能出現(xiàn)的過(guò)電流和瞬時(shí)過(guò)電壓條件的影響。諸如雷擊、由負(fù)載浪涌引起的電源線電壓變化、電機(jī)啟動(dòng)或關(guān)閉產(chǎn)生的感應(yīng)瞬變以及靜電放電（ESD）等瞬變會(huì)損壞控制智能調(diào)光器和智能電源插座的電子電路。

圖1顯示了為保護(hù)電子電路和有效控制調(diào)光器和智能電源插座而推薦的保護(hù)和控制組件。

調(diào)光器是家庭中控制照明設(shè)備照明的常用設(shè)備。智能調(diào)光器允許精確遙控或定時(shí)控制燈具或一組燈。圖2顯示了電子調(diào)光開關(guān)的框圖，并顯示了使用推薦的保護(hù)和控制元件的具體電路塊。

交流輸入保護(hù)電路塊直接與交流電源線連接，需要過(guò)電流和瞬態(tài)電壓保護(hù)。設(shè)計(jì)人員應(yīng)熔合電路板，以防止過(guò)電流對(duì)下游電路板造成損壞。我們建議使用慢熔斷保險(xiǎn)絲，以避免因開關(guān)電源等浪涌電流而造成故障停機(jī)。保險(xiǎn)絲的額定電壓應(yīng)超過(guò)額定交流線路電壓。

保險(xiǎn)絲的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是它的中斷額定值。確保所選保險(xiǎn)絲在大過(guò)載期間不會(huì)熔化或蒸發(fā)。估計(jì)電源線的最大電流容量，并選擇中斷額定值超過(guò)潛在可用電流的保險(xiǎn)絲。額定電流為100kA的熔斷器。

為了保護(hù)交流輸入保護(hù)電路不受交流線路瞬變的影響，我們建議使用金屬氧化物變阻器（MOV）。MOV能夠承受瞬態(tài)的最大電壓，并能吸收瞬態(tài)電壓引起的電流浪涌。我們建議你考慮一個(gè)MOV，它能吸收10000 a的電流脈沖和400 J的瞬態(tài)能量。良好的設(shè)計(jì)實(shí)踐是將MOV盡可能靠近pc板的輸入，以防止瞬態(tài)傳播到電路中。

在交流輸入保護(hù)電路的二次側(cè)，使用瞬態(tài)電壓抑制二極管（TVS）保護(hù)下游次級(jí)電路。您可以選擇單向或雙向二極管，這取決于電路可能同時(shí)受到正和負(fù)瞬態(tài)的影響。TVS二極管對(duì)瞬態(tài)響應(yīng)非常快，在1ps以下。它們可以吸收1500 W的峰值脈沖功率，并且具有低鉗位電壓以保護(hù)低壓電子電路。

開關(guān)電路控制燈具的輸出。最大限度地降低功耗可以最大限度地提高電路的效率，并最大限度地減少調(diào)光器中的熱量積聚。我們建議使用低保持電流的雙向晶閘管。

雙向晶閘管可用于保持電流低于10毫安。它們還可以在超過(guò)100°C的結(jié)溫下安全運(yùn)行。為了進(jìn)一步提高效率，考慮使用MOSFET來(lái)控制TRIAC的功率。選擇低RDS（on）電阻小于0.5Ω、開關(guān)時(shí)間快的功率MOSFET，以減少器件轉(zhuǎn)換過(guò)程中的功率損耗和MOSFET處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)的功耗。

你可以用一個(gè)單片柵極驅(qū)動(dòng)器來(lái)簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)mosfet的管理。柵極驅(qū)動(dòng)芯片可以包含兩個(gè)驅(qū)動(dòng)放大器來(lái)控制高側(cè)、低側(cè)功率mosfet并使其開關(guān)速度最大化。選擇一個(gè)具有足夠電流容量的柵極驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)mosfet。最后，用MOV保護(hù)電路不受已傳播到開關(guān)電路的線電壓浪涌的影響，MOV可以承受與建議用于交流輸入保護(hù)電路的MOV相似的量。

無(wú)線通信電路使用無(wú)線LAN（Wi-Fi）協(xié)議與PC、平板電腦或智能手機(jī)進(jìn)行通信，以遠(yuǎn)程控制調(diào)光器。該電路與外部環(huán)境相連接，并受到靜電放電的影響，主要由智能調(diào)光器的用戶引起。

我們建議使用雙向TVS二極管陣列（如圖3所示）或聚合物ESD保護(hù)裝置來(lái)保護(hù)無(wú)線通信電路。

這兩種器件都可以保護(hù)I/O端口，由于電容低于1 pF，對(duì)電路性能的影響最小。此外，兩個(gè)組件都有表面貼裝包裝，以節(jié)省有限的pc板空間。此外，它們的漏電流小于1μA，從而降低了電路的功率負(fù)載。最重要的是，根據(jù)IEC 61000-4-2 ESD標(biāo)準(zhǔn)，任何一個(gè)設(shè)備都能承受±12 kV的ESD沖擊。

本地開關(guān)允許用戶手動(dòng)控制調(diào)光器的輸出功率。與無(wú)線通信電路一樣，該電路與外部環(huán)境相連接，極有可能受到靜電放電的沖擊。該電路需要與無(wú)線通信電路相同的保護(hù)元件。再次選擇二極管陣列或聚合物ESD保護(hù)裝置。

圖4顯示了智能插座中的電路塊以及提供保護(hù)和有效控制的推薦組件。與智能調(diào)光開關(guān)一樣，智能插座具有交流輸入模塊、AC-DC轉(zhuǎn)換電源模塊、無(wú)線通信電路和手動(dòng)開關(guān)控制電路。

交流輸入和保護(hù)電路連接到交流電源線，并且像調(diào)光器開關(guān)的交流輸入保護(hù)塊一樣，會(huì)受到大的過(guò)電流沖擊和高過(guò)電壓瞬態(tài)的影響，這些都會(huì)在電源線上感應(yīng)和傳播。因此，智能插座電路的交流輸入需要一個(gè)保險(xiǎn)絲、一個(gè)MOV和一個(gè)TVS二極管，其特性與燈光調(diào)光器輸入電路的推薦特性相同。

考慮到智能插座的空間和效率，建議使用開關(guān)電源來(lái)產(chǎn)生控制電路所需的直流電壓。我們建議使用高頻設(shè)計(jì)最大限度地提高效率?？紤]在電路中使用肖特基整流二極管。這些器件通常在0.5伏的工作頻率下工作，可以節(jié)省高電壓降。

與智能調(diào)光開關(guān)一樣，無(wú)線通信和本地開/關(guān)開關(guān)電路暴露在外部環(huán)境中，并受到靜電放電的影響。用TVS二極管陣列或聚合物ESD抑制器保護(hù)這些電路不受ESD的影響。

自20世紀(jì)70年代以來(lái)，GFCI插座一直用于保護(hù)個(gè)人免受潮濕環(huán)境的影響。自2014年和2015年以來(lái)，《國(guó)家電氣規(guī)范》和《加拿大電氣規(guī)范》分別要求AFCI在新建住宅設(shè)施和住宅時(shí)使用。當(dāng)帶電線路上傳輸?shù)呢?fù)載電流不返回中性線時(shí)，GFCI會(huì)感應(yīng)到。

如果電流不平衡超過(guò)預(yù)先確定的跳閘水平，GFCI會(huì)切斷電源插座的電源，以防止觸電危險(xiǎn)。AFCI檢測(cè)到電弧情況并切斷電源插座以防止火災(zāi)。圖5顯示了GFCI、AFCI和帶USB充電端口的電源插座的建議保護(hù)和控制組件。

圖6顯示了GFCI和AFCI中的電路塊。GFCI具有電流不平衡檢測(cè)電路，而AFCI具有電弧檢測(cè)電路。與智能調(diào)光器和智能插座一樣，這兩個(gè)設(shè)備連接到交流電源線，需要過(guò)電流和瞬態(tài)電壓保護(hù)。

這些設(shè)備中的每一個(gè)都需要一個(gè)電路來(lái)控制可以中斷出口電源的繼電器。這是點(diǎn)火電路。我們建議您考慮使用可控硅來(lái)控制機(jī)電繼電器。有了可控硅，你可以設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的控制電路，既高效又緊湊。SCR是一個(gè)堅(jiān)固的組件，可以承受高達(dá)100A的大電流浪涌，并且可以支持超過(guò)600V的電壓。如果繼電器線圈的功率消耗很低，那么您可以使用表面安裝版本的組件。

USB插座為使用USB電纜的便攜式設(shè)備供電或重新充電提供了便利。用戶不需要USB電源適配器塊，因?yàn)椴遄峁┲绷鞒潆婋娏?。USB插座需要與交流電源線接口的其他智能設(shè)備一樣的熔斷和瞬態(tài)電壓保護(hù)。圖7顯示了帶有USB充電端口的USB電源插座的框圖。

USB插座中的開關(guān)電路為插座提供直流輸出。通過(guò)使用低正向電壓肖特基二極管和高頻開關(guān)設(shè)計(jì)，可以最大限度地提高電路的效率。此外，考慮使用功率MOSFET和集成柵極驅(qū)動(dòng)器來(lái)進(jìn)一步提高DC功率控制電路的效率。

由于每個(gè)智能插座都與交流電源線相連，因此它們必須符合保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室（UL）和國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）頒布的適用國(guó)家和國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)。適用于各種智能插座的標(biāo)準(zhǔn)如圖8所示，如表1所示。

表1。電源插座適用的國(guó)家和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和合規(guī)性清單

我們建議將這些標(biāo)準(zhǔn)的要求包括在產(chǎn)品定義中，以便在設(shè)計(jì)項(xiàng)目期間經(jīng)濟(jì)有效地設(shè)計(jì)保護(hù)組件。選擇UL認(rèn)可的交流電源線路徑中的保護(hù)組件。基于標(biāo)準(zhǔn)要求的設(shè)計(jì)和測(cè)試結(jié)合使用UL認(rèn)可的組件，既減少了認(rèn)證時(shí)間，又避免了認(rèn)證失敗。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步融入了新產(chǎn)品中，如智能插座，使家庭更安全、更環(huán)保、更方便。為了確保這些智能產(chǎn)品的成功采用，它們需要健壯、可靠和安全。設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)確保他們的設(shè)計(jì)具有過(guò)流保護(hù)、過(guò)電壓保護(hù)和低功耗控制組件來(lái)確保產(chǎn)品的健壯和安全。

設(shè)計(jì)師還可以利用這些元件制造商的應(yīng)用專業(yè)知識(shí)，例如Littelfuse，他們可以幫助設(shè)計(jì)師推薦電路配置、安全標(biāo)準(zhǔn)知識(shí)和元件選擇，從而節(jié)省大量的時(shí)間和精力。您的努力將使產(chǎn)品獲得可靠性、安全性和收入增長(zhǎng)的聲譽(yù)。