無線和互聯網技術的創新正在將普通的非智能設備轉變為智能設備，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。物聯網技術已進入家庭，通過便利性、安全性、照明控制、娛樂和環境控制產品創造智能家居。

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，并且正在最新的家庭和建筑設計中得到廣泛采用。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。智能照明調光器市場預計將以超過15%的速度增長2預計到2024年將達到1500萬臺/年。

接地故障斷路器 （GFCI）/電弧故障斷路器 （AFCI） 和 USB 插座等其他設備正變得越來越智能。GFCI / AFCI設備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。

是什么讓設備智能化？

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蜂窩等無線通信協議遠程訪問和編程， WIFI， 或藍牙。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，這些器件需要過壓保護和過流保護，即使在受到雷電浪涌、感應電涌、靜電放電和電快速瞬變等各種環境危害時也能保持運行。本文向設計人員介紹要使用的組件類型以及它們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。如果在規定的時間段內發生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電涌，從而產生過壓瞬變，從而導致故障。為了保護，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 二極管的響應時間更快，低于皮秒，MOV 可以吸收更多能量，具體取決于所選的特定組件。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

中斷電流額定值

串聯電阻

主要 MOV 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

初級TVS二極管參數：

反向關斷電壓

峰值脈沖功耗

擊穿電壓

保護無線通信微處理器免受靜電放電 （ESD） 的影響

智能插座的無線通信電路暴露在外部環境中，包括人機觸摸，應主要具有ESD保護。選擇最佳抑制技術取決于威脅級別、系統架構和外形尺寸。

ESD抑制元件保護無線芯片組和無線接口后面的數字電路。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二極管將承受符合IEC 61000-4-2標準的+/- 12 kV ESD。

TVS二極管陣列和聚合物ESD抑制器均具有小尺寸，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 器件在不到一納秒的時間內響應 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，則聚合物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。

初級聚合物靜電放電參數

關斷電壓

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取電力;因此，它們需要電源線保護。兩款器件還具有無線通信接口，需要ESD保護。還需要ESD保護，以保護電路在生產和安裝過程中免受手動控制的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。低正向電壓提高了功率轉換效率。此外，肖特基二極管具有快速的開關速度，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，TRIAC用于控制輸出到燈光的交流波形的百分比。對于低負載電流光源（如 LED），TRIC 的保持電流可低至 6 mA。控制光源的另一種選擇是MOSFET。MOSFET 具有快速開關時間和低導通電阻，可最大限度地減少功率損耗并提高從輸入到輸出的功率傳輸效率。柵極驅動器控制 MOSFET，并確保 MOSFET 的高效導通和關斷。

初級肖特基二極管參數

正向電壓

正向電流

反向電壓

反向恢復時間

可控硅主要參數

導通狀態電流

額定電壓

保持電流

導通狀態電流上升率

初級場效應管參數

漏源電流

導通電阻

切換時間

初級 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組件選項顯示在框圖旁邊的列表中。

圖3.智能插座框圖顯示了需要保護和控制組件的位置。下表列出了建議的組件選項。

確保對 GFCI、AFCI 和 USB 插座的保護和控制

家庭的原始智能設備是GFCI和AFCI。當熱線上輸送的負載電流未返回零線時，GFCI 會檢測。如果電流不平衡超過預定的跳閘水平，GFCI會斷開插座的電源，以防止觸電危險。AFCI檢測到電弧狀況并斷開插座的電源以防止火災。

帶有USB充電功能的電源插座在住宅和公共場所變得越來越普遍。這些插座可能將 USB 充電與歷史電源插座或單個設備中的多個 USB 充電器相結合。GFCI、AFCI 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組件。

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。建議的電源控制組件是 SCR。當檢測到電流不平衡時，SCR 激活繼電器，斷開交流主輸入電源與輸出的連接。此外，SCR 還提供各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

導通狀態電流

阻斷電壓

前向下降

柵極電流觸發電平

圖5.GFCI或AFCI的框圖。相鄰的表列出了建議的保護和控制組件選項。

圖6.USB 插座框圖。建議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，因為它們都使用在線電源運行。適用的特定標準取決于將使用設備的全球位置。如果認證機構未能批準您的產品，錯過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包含這些類型產品的適用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