智能恒溫器已成為家庭、辦公樓和零售設施的常用節能方法。自2018年以來，智能恒溫器市場一直以22%的高復合年增長率增長。在如此高的增長下，制造商可以很容易地證明新車型的創新是合理的。未來的智能恒溫器將提供廣泛的信息，包括能源使用審計和暖通空調系統升級前后的能耗比較數據。

智能恒溫器將采用更多技術，例如用于控制和數據通信的各種物聯網接口。此外，這些設備將使用交流線路電源運行，并具有電池備用電源，以便在停電期間保持運行。

為了確保高度可靠的智能恒溫器，設計工程師必須采用堅固的組件來保護恒溫器免受潛在的破壞性外部威脅，例如電源線電流過載、電壓瞬變和靜電放電 （ESD） 沖擊。在本文中，設計人員將學習如何保護其敏感的電子電路免受這些危害。有了這些信息，設計人員將滿懷信心地開發出能夠承受危險瞬變并高度堅固可靠的智能恒溫器。

智能恒溫器操作概述

智能恒溫器可以執行多種功能。與任何恒溫器一樣，智能恒溫器的主要功能是監控周圍環境中的溫度，并在必要時激活HVAC系統以保持恒溫器設定點溫度。使恒溫器智能的功能包括：

傳達暖通空調系統狀態，

處理來自智能手機、PC 或平板電腦等遠程設備的控制信息，

如果需要采取措施，提醒所有者或經理。

一些智能恒溫器有一個電池組，用于在交流線路電源中斷時備用電源。圖 1 顯示了一個智能恒溫器示例。圖像周圍的框描述了其功能，并列出了推薦的保護、控制和傳感技術，這些技術將提高智能恒溫器的可靠性和效率。

圖2顯示了智能恒溫器的詳細框圖。框圖右側的表格列出了保護電路塊并實現高效控制和傳感的推薦組件。以下段落描述了可能損壞電路的危險，以及高可靠性和效率所需的推薦保護、控制和傳感組件。

圖2.智能恒溫器框圖

保護智能恒溫器免受過載、瞬態和靜電放電的影響

電源輸入電路塊

電源輸入模塊將來自 HVAC 系統的 24 VAC 輸入轉換為為所有其他電路模塊供電的直流電壓。盡管 HVAC 系統將恒溫器的電源線交流電壓降低到 24 VAC，但 24 VAC 線路仍然容易受到電源線過載電流和可能通過 HVAC 系統的電壓瞬變的影響。

為保護電源輸入免受持續電流過載的影響，請使用延時保險絲使保險絲能夠承受電機打開和關閉引起的浪涌電流。延時保險絲將避免因浪涌電流而導致的誤停機。微型軸向引線和表面貼裝保險絲可用于低壓電路，以節省寶貴的印刷電路板空間。

聚合物正溫度系數 （PPTC） 可復位保險絲是標準一次性過載保險絲的替代方法。保險絲因過載電流發熱而斷開;但是，當溫度低于閾值水平時，它會重置，并且在打開后不需要更換。

電力線上的雷擊和大型電機在電源線上感應回電動勢電壓會導致破壞性的瞬態過載。這些電壓可以達到kV水平。雖然HVAC系統可以防止這些過載，但一些能量可以通過HVAC電路傳遞到電源輸入模塊。使用瞬態電壓抑制器（TVS）二極管箝位和吸收剩余瞬態電壓及其能量。TVS二極管提供：

低于 1 ps 的超快響應時間

低鉗位電壓，保護敏感半導體

能夠安全地吸收 400 W 的峰值脈沖功率

雙向和單向配置

具有表面貼裝外形規格的版本。

圖3顯示了雙向和單向TVS二極管的符號。雙向配置中顯示的兩個二極管使用陰極-陰極連接二極管。

圖3.雙向TVS二極管連接陰極-陰極和單向TVS二極管

電池管理單元

電池管理單元確保所有電池單元均力為負載供電，并監控電池的充電狀態。使用 TVS 二極管保護半導體控制電路免受電壓瞬變和 ESD 的影響。考慮使用TVS二極管或多層壓敏電阻（MLV）。這兩種器件都可以提供非常低的鉗位電壓來保護低壓半導體，并提供符合電磁兼容性標準IEC 61000-4-2的ESD保護。

設計人員應通過使用 PPTC 可復位保險絲來防止電池過度充電和電池過熱情況。PPTC 保險絲的版本可以是表面貼裝的 PC 板組件，也可以直接安裝在電池組上，以快速檢測過熱情況。

輸入/輸出接口

智能恒溫器可以有多個有線和無線接口。接口受到外部環境的危險，通常是ESD沖擊。

對于 USB 接口，請使用 TVS 二極管進行 ESD 保護。查找：

通過空氣或直接人體接觸至少安全吸收 ±20 kV ESD

最大電容為 1 pF，可將發送和接收信號的失真降至最低

不超過 10 V 的低鉗位電壓

單向或雙向二極管

漏電流低于 100 nA。

考慮使用 PPTC 可復位保險絲來保護 USB 接口免受電流過載的影響。尋找小型型號以節省 PC 板空間。

音頻輸入接口輸出警報并具有聲控輸入。使用 TVS 二極管保護此接口的 I/O 線路。考慮每條線路使用單向或雙向二極管。

輸入用戶界面提供數據輸入面板。Zigbee無線通信接口從智能手機或平板電腦等設備傳輸數據并接收控制信息。兩個接口都需要防止ESD沖擊。提供至少10 kV雙向能量吸收的TVS二極管陣列將安全地保護這兩個接口。用于無線通信接口的TVS二極管的替代方案是聚合物ESD抑制器。聚合物ESD抑制器的電容非常低，通常約為0.25 pF，以最大限度地降低其對RF信號的影響，響應時間不到1 ns，典型漏電流低于10 nA。

商用智能恒溫器中的RS-485有線M-Bus向外部系統提供數據。使用不對稱TVS二極管陣列保護RS-485數據線上的-7 V和+12 V工作電壓。此外，尋找高于 20 kV 的高 ESD 吸收。如圖4所示，一個組件保護兩條數據線。

圖4.用于吸收每條RS-485數據線上的電壓瞬變和ESD的非對稱TVS二極管陣列原理圖

最后一個界面是顯示屏，它至少顯示溫度設置和實際室溫。TVS二極管（例如推薦用于電池管理單元或多層壓敏電阻的二極管）可以保護顯示電路。

高效控制和傳感

考慮使用鎖存繼電器驅動器來控制智能恒溫器電路模塊的電源。為避免在切換過程中產生電磁干擾 （EMI），請尋找在交流線路電壓通過 0 V 時切換的驅動器。此外，閉鎖繼電器在閉合接觸狀態下不會消耗功率，因此可節省功耗。

智能恒溫器最關鍵的元件是溫度傳感器。考慮使用熱敏電阻，負溫度系數（NTC）元件。熱敏電阻提供比其他溫度傳感器類型更好的精度，并檢測-55至+ 220°C的寬溫度范圍。 使用密封熱敏電阻以獲得長期的可靠性和穩定性。小型表面貼裝版本可節省印刷電路板空間并允許自動插入。

智能恒溫器的適用安全標準

設計人員需要了解適用于智能恒溫器的標準，表1列出了這些安全標準。不遵守適當的標準可能導致無法通過合規性認證測試、額外的開發成本和延遲推向市場。

表 1.智能恒溫器的安全標準

采用保護和長壽命組件設計，實現高可靠性

設計人員只需要少量組件即可保護智能恒溫器并徹底提高其可靠性。成為電子設計各個方面的專家具有挑戰性，因此設計人員可以利用制造商應用工程師在電路保護和高效控制方面的專業知識。他們可以在以下方面提供幫助：

經濟高效的組件選擇

關于遵守適用安全標準的指南

預一致性測試，以幫助在合規性測試之前識別問題（某些制造商提供的服務）。

使用推薦的保護、控制和傳感組件將確保可靠的智能恒溫器具有強大的外部危害保護，同時提供高效操作。

審核編輯：郭婷