無線和互聯網技術的創新正在將常見的非智能設備轉換為智能設備，以幫助用戶利用物聯網 （IoT）。這種趨勢正在我們的家庭，工作場所和建筑物中發生。物聯網技術已經進入家庭，創造了智能家居，其產品具有便利性，安全性，照明控制，娛樂和環境控制等產品。

為了實現這些進步，傳統的非智能設備（如調光器和電源插座）必須是智能的，并且正在被最新的家庭和建筑設計廣泛采用。智能電源插座市場正以約25%的復合年增長率增長1，預計到2024年，市場將達到4500萬臺/年。智慧調光器市場預計以超過15%的速度增長2預計到2024年將達到1500萬臺/年。

其他設備，如接地故障電路滅弧室 （GFCIs）/電弧故障電路滅弧室 （AFCI） 和 USB 插座正變得越來越智能。GFCI / AFCI設備的市場大致估計增長率約為5%，而USB市場估計以10%的速度增長。通過過壓和過流保護來保護所有這些設備對于長期可靠性和安全性至關重要。

是什么讓設備變得智能？

智能設備具有電子電路，可實現控制、系統協調和狀態反饋。智能設備可以通過音頻（語音）、手動或電子控制進行編程。物聯網智能設備可以通過無線通信協議（如蜂窩、WIFI或藍牙）進行遠程訪問和編程。您的個人計算機、平板電腦、智能手機或虛擬助手可以輕松地與這些智能設備進行通信。

安全性和可靠性設計

設計人員需要確保這些新的智能設備安全可靠，因為消費者期望高可靠性，而不會有服務中斷的風險。因此，這些設備需要過壓保護和過流保護，即使在遭受各種環境危害（如雷擊浪涌、感應電涌、靜電放電和電氣快速瞬變）時也能保持運行。本文向設計人員介紹要使用的元件類型以及這些元件在電路架構中的應用位置。

連接到電源線的智能設備的設計注意事項

智能插座連接到輸入的交流電源線，需要滿足機構標準和可靠性期望。通常，保險絲用于過流保護。如果在定義的時間段內出現超過其額定值的電流，保險絲將中斷。選擇保險絲時，請考慮正常工作電流、應用電壓、環境溫度、過載電流條件、最大故障電流、電阻和機構批準。

雷擊會在電源線上產生感應功率浪涌，從而產生過壓瞬變，從而導致故障。為了提供保護，設計人員通常選擇金屬氧化物壓敏電阻（MOV）和/或瞬態電壓抑制二極管（TVS）。MOV 和 TVS 都設計用于吸收瞬態電流浪涌。TVS二極管在皮秒以下具有更快的響應時間，并且MOV可以根據所選的特定組件吸收更多能量。正確的組件選擇取決于精確的系統布局和系統中的其他組件。需要考慮工作電壓、鉗位電壓、浪涌要求和元件成本。

主保險絲參數：

額定電流

最大工作電壓

中斷額定電流

串聯電阻

主要移動電壓參數：

吸收的最大瞬態能量

最大峰值浪涌電流

最大連續工作電壓

鉗位電壓

工作溫度范圍

主 TVS 二極管參數：

反向隔離電壓

峰值脈沖功率耗散

擊穿電壓

保護無線通信微處理器免受靜電放電 （ESD） 的影響

用于智能插座的無線通信電路暴露在外部環境中，包括人體接觸，并且應該主要受到ESD的保護。選擇最佳抑制技術取決于威脅級別、系統架構和外形規格。

ESD抑制元件可保護無線芯片組和無線接口背后的數字電路。TVS二極管陣列和聚合物ESD抑制器是兩種解決方案。TVS二極管陣列具有盡可能低的鉗位電壓和最小的封裝尺寸的優點。兩款器件均具有低漏電流和低于1 pF的低電容。用于此應用的典型 TVS 二極管將承受 +/- 12 kV ESD，符合 IEC 61000-4-2 標準。

TVS二極管陣列和聚合物ESD抑制器均具有較小的占位面積，并占用少量寶貴的印刷電路板空間。最重要的是，根據所選組件的不同，這些設備可以承受高達30 kV的直接接觸和高達30 kV的空氣傳輸，符合IEC61000-4-2標準。聚合物ESD器件在納秒內響應ESD電壓，而TVS二極管在皮秒內響應。如果尺寸是一個主要問題，聚合物ESD器件的最大占位面積（焊盤長度）為3 mm，而TVS二極管的最大占位面積為9 mm。

初級聚合物防靜電參數

壓差電壓

鉗位電壓

觸發電壓

電容

漏電流

智能調光器和智能電源插座的保護和控制

智能調光器和智能電源插座都從電源線獲得電力;因此，它們需要電力線保護。兩款器件還具有無線通信接口，需要ESD保護。在生產和安裝過程中，還需要ESD保護來保護電路免受手動控制開關和其他接觸點的影響。過流保護、過壓保護和電源控制的典型選項如圖1所示。

圖 1.推薦用于智能調光器和智能電源插座的保護和控制組件。

圖2顯示了智能調光器的框圖，圖3顯示了智能插座的框圖。推薦的保護和控制組件選項顯示在框圖旁邊的列表中

智能調光器和電源插座的電源控制

智能插座采用肖特基整流器對為直流電路供電的開關電源進行整流。肖特基整流器具有低正向電壓。低正向電壓提高了電源轉換效率。此外，肖特基二極管具有快速開關速度，使開關電源能夠在高頻下工作，從而進一步提高效率。

在調光器中，可控硅用于控制輸出到光的交流波形的百分比。對于低負載電流、光源（如 LED）、TRIAC 的保持電流可低至 6 mA。控制光源的另一種選擇是 MOSFET。MOSFET具有快速的開關時間和低導通電阻，可最大限度地降低功率損耗并提高從輸入到輸出的功率傳輸效率。一個柵極驅動器負責控制 MOSFET，并確保 MOSFET 的高效接通和關斷。

肖特基二極管初級參數

正向電壓

正向電流

反向電壓

反向恢復時間

主要可控硅參數

狀態電流

額定電壓

保持電流

當前狀態下的上升速度

主要場效應管參數

漏源電流

導通電阻

切換時間

主 MOSFET 柵極驅動器參數

輸入電壓

輸出電流

圖 2.智能調光器的框圖。為電路模塊推薦的安全和控制元件選項顯示在框圖旁邊的列表中。

圖 3.智能插座框圖顯示需要保護和控制組件的位置。下表列出了推薦的組件選項。

確保對全球森林指標、亞洲金融互聯網機構和 USB 插座的保護和控制

家庭的原始智能設備是GFCI和AFCI。當在熱線上傳遞的負載電流沒有在中性線上返回時，GFCI會感應。如果電流不平衡超過預定的跳閘水平，GFCI將從插座上斷開電源，以防止觸電危險。AFCI檢測電弧狀況并從插座上斷開電源以防止火災。

帶USB充電的電源插座在住宅和公共場所變得越來越普遍。這些插座可能具有 USB 充電功能，并結合了歷史電源插座或單個設備中的多個 USB 充電器。GFCI、自動對沖和 USB 充電器需要瞬變保護。圖4顯示了GFCI、AFCI和USB充電插座所需的推薦保護和控制元件。

圖 4.推薦用于 GFCI、AFCI 和 USB 充電插座的保護和控制組件。

GFCI 和 AFCI 的框圖如圖 5 所示。智能調光器和智能插座的保護組件類似。推薦的功率控制元件是 SCR。當檢測到電流不平衡時，SCR 會激活繼電器，該繼電器將交流主輸入電源斷開至輸出。此外，SCR 還提供多種通孔和表面貼裝封裝。它們還將具有高達2500 Vrms的隔離電壓。

主要可控硅參數

狀態電流

阻斷電壓

向前下降

柵極電流觸發電平

圖 5.全球金融行動委員會或武裝部隊的方框圖。下表列出了建議的保護和控制組件選項。

圖 6.USB 插座的框圖。推薦的保護和控制組件選項顯示在相鄰列表中。

通過了解適用的行業安全標準節省開發時間

這些智能設備需要滿足UL標準或IEC標準，因為它們都使用線路電源供電。適用的特定標準取決于將使用設備的全局位置。如果認證機構未能批準您的產品，則缺少標準要求可能會導致產品開發時間延長并增加項目成本。表1包含適用于這些類型產品的國家和國際標準列表。

表 1.適用的國家和國際標準和合規性列表

審核編輯：郭婷