本文探討了智能家居安全應(yīng)用中保護(hù)和控制電路的元件，特別是用于保護(hù)有線和無線安全攝像頭以及有線門鈴攝像頭的元件。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步推動了智能家居安全系統(tǒng)的發(fā)展，該系統(tǒng)可為消費(fèi)者提供安全性、便利性和能源效率。新的傳感技術(shù)和無線協(xié)議（如無線局域網(wǎng)（Wi-Fi））已經(jīng)創(chuàng)造了一系列器件，可以監(jiān)控安全設(shè)備、門禁設(shè)備、家用電器、能源管理設(shè)備、電源插座、照明和娛樂系統(tǒng)。

智能家居安防市場是一個充滿活力的市場。住宅安全攝像頭的單位出貨量預(yù)計將從2018年的5400萬臺增長到2023年的1.2億臺。這意味著17%的大幅復(fù)合年增長率(CAGR)。在這個市場上有很大的創(chuàng)新和新產(chǎn)品的機(jī)會。

可靠等于安全

智能家居安防產(chǎn)品需要高度可靠才能贏得市場份額。隨著越來越多的廠商進(jìn)入市場并且產(chǎn)品差異化程度縮小，產(chǎn)品質(zhì)量將成為消費(fèi)者更大的決定因素。因此，產(chǎn)品需要對過載和瞬變具有高可靠性。以下段落將為家庭安全系統(tǒng)的設(shè)計人員提供使用和選擇保護(hù)和控制其電路的元件的建議。用于保護(hù)以下產(chǎn)品的元件將被介紹：

有線和無線安全攝像機(jī)

有線門鈴攝像機(jī)

有線安全攝像機(jī)

有線安全攝像機(jī)系統(tǒng)通常是固定安裝的安全系統(tǒng)，用于監(jiān)視住宅周圍的區(qū)域。圖2顯示了有線安全攝像頭以及用于保護(hù)和控制攝像頭的推薦元件。這些攝像機(jī)由交流線路供電，容易受到交流電源線上傳播的過載和瞬變的影響。此外，所有與外部環(huán)境的連接都會受到靜電放電(ESD)的影響。

設(shè)計人員將需要保護(hù)其攝像機(jī)電路免受這些危險條件的損害。

電源適配器

電源適配器與交流電源線連接，并且需要保護(hù)以防止電源線電流浪涌和電壓瞬變。我們建議使用熔斷器進(jìn)行過載保護(hù)，使用金屬氧化物變阻器（MOV）來保護(hù)瞬態(tài)電流浪涌，并使用瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）二極管來保護(hù)瞬態(tài)電壓。這三個元件以及為您的設(shè)計選擇的參數(shù)，將確保電源適配器對過載和瞬變具有高可靠性。

選擇慢速熔斷器，以避免由于開關(guān)電源浪涌電流而造成熔斷器損壞。但是，為避免損壞電源適配器電路，請選擇能夠?qū)B續(xù)過載（例如在幾秒鐘內(nèi)達(dá)到200％過載）快速響應(yīng)的熔斷器。選擇熔斷器時，請不要忽略其它關(guān)鍵參數(shù)。確認(rèn)熔斷器的額定電壓是否超過電源可以達(dá)到的最大線路電壓。另外，請確保分?jǐn)囝~定值高于電路可能遇到的最壞情況下的電流過載。

適當(dāng)?shù)姆謹(jǐn)囝~定值將避免由于交流線路產(chǎn)生較大的瞬時過載而對熔斷器造成物理損壞。由于電源空間有限，因此請尋找滿足要求的小型熔斷器。最后，使用具有UL / IEC認(rèn)證的保險絲來簡化和加快產(chǎn)品安全合規(guī)性鑒定。

例如，對于雷電引起的大的高能量浪涌，請使用金屬氧化物變阻器（MOV）來保護(hù)電源，該金屬變阻器的位置應(yīng)盡可能靠近電源的輸入。MOV可以吸收高達(dá)10 kA的浪涌電流，并且可以吸收超過500 J的峰值脈沖能量。由于MOV與電源線接觸，因此請使用UL / IEC認(rèn)證的元件。

您要考慮的第三個保護(hù)元件是瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)二極管，用于保護(hù)下游電路免受電壓瞬變的影響。TVS二極管對瞬變的響應(yīng)速度極快，不到1ps。在抑制瞬變時，TVS二極管將其輸出鉗位在低電壓，以保護(hù)敏感電路。TVS二極管有單向和雙向兩種版本，鉗位電壓范圍很廣，最低可達(dá)10V。

直流輸入級

直流輸入級為控制板、電機(jī)驅(qū)動器和圖像傳感器接口提供直流電壓。我們建議此電路同時使用電流過載保護(hù)和暫態(tài)電壓保護(hù)。傳統(tǒng)熔斷器或可復(fù)位聚合物正溫度系數(shù)(PPTC)熔斷器都是可選的。這兩種類型的熔斷器都有表面貼裝版本可供選擇，因此占用的PCB空間最小。TVS二極管可同樣采用節(jié)省空間的表面貼裝封裝，可承受峰值脈沖功率高達(dá)5000 W的瞬變。

控制板

控制板包含攝像機(jī)智能電路?？刂瓢灏?a target="_blank">MCU、視頻存儲器和有線接口電路，有線接口電路使用PoE協(xié)議在交流電源線上傳輸信息。控制板的兩個電路應(yīng)具有保護(hù)元件。這兩個電路是有線接口和存儲電路。

有線接口與外部環(huán)境連接，應(yīng)具有電流過載和暫態(tài)電壓保護(hù)。與直流輸入級一樣，選擇常規(guī)熔斷器或可復(fù)位熔斷器進(jìn)行電流過載保護(hù)。為了防止電壓瞬變，我們推薦一種特殊的元件，TVS二極管陣列。TVS二極管陣列保護(hù)PoE I/O線路免受ESD和其它高壓瞬變的影響。

圖4顯示了與齊納二極管相結(jié)合的雙向二極管陣列，可承受±30 kV的ESD沖擊。這些二極管具有較低的1pF/端口電容，可將其對PoE協(xié)議傳輸和接收信號的影響降至最低。如圖4所示的二極管陣列配置可采用表面貼裝封裝，它們占用的PCB空間最少。

電機(jī)驅(qū)動

電機(jī)驅(qū)動模塊具有一個平移和傾斜電機(jī)電路，可將攝像機(jī)定位以跟蹤運(yùn)動。對于此電路，我們建議使用一個控制元件，即光電隔離固態(tài)開關(guān)。光學(xué)隔離可防止電機(jī)噪聲和瞬變耦合回平移和傾斜控制電路中。固態(tài)開關(guān)可提供無抖動開關(guān)，以實現(xiàn)對電機(jī)的平穩(wěn)控制。尋找具有零交叉開關(guān)的固態(tài)開關(guān)，以最大程度地減少電動機(jī)的啟動瞬變。另外，尋找具有限制電流功能的開關(guān)，以防止電機(jī)停轉(zhuǎn)。

無線安全攝像機(jī)

為了監(jiān)視內(nèi)部空間，無線安全攝像機(jī)體積很小，可以輕松放置在任何地方。有關(guān)無線攝像機(jī)的示例，請參見圖5。圖6顯示了無線攝像機(jī)的方框圖以及該設(shè)備的推薦保護(hù)和控制元件。

適配器

USB適配器是無線安全攝像機(jī)的電源。由于USB適配器連接到交流電源，因此必須保護(hù)其免受電流過載和電壓瞬變的影響。與為有線安全攝像機(jī)供電的電源適配器類似，USB適配器應(yīng)具有用于過電流保護(hù)的熔斷器，用于雷擊的MOV和用于ESD保護(hù)的TVS二極管。

如果設(shè)計將使用USB Type-C協(xié)議，那么USB Type-C高密度連接器需要熱感應(yīng)來檢測連接器引腳之間的短路。符合USB Type-C設(shè)計的熱敏元件將避免在灰塵或污垢使相鄰的連接器針腳短路時損壞電纜和連接器。請參閱USB Type-C 標(biāo)準(zhǔn)2。在糾正導(dǎo)致溫度升高的問題后，傳感元件會以低電阻復(fù)位。

電池組

如果電池組在短路狀態(tài)下發(fā)生故障并過熱，則應(yīng)監(jiān)控電池組的過電流情況。此外，電池管理單元和USB可以經(jīng)受靜電放電（ESD）。我們建議使用可復(fù)位熔斷器，即PPTC表面貼裝保險絲，以防止因電池組故障而產(chǎn)生的過電流。達(dá)到200%的過載時，PPTC熔斷器將在不到一秒的時間內(nèi)動作，以防止一個短路的電池對多個電池造成損壞。

電池管理裝置和USB電路應(yīng)具有ESD保護(hù)。我們建議使用鉗位電壓低的多層金屬氧化物壓敏電阻來保護(hù)半導(dǎo)體元件。當(dāng)節(jié)省PCB空間是一個重要的考慮因素時，可以使用節(jié)省空間的0402表面貼裝封裝的多層MOV版本。

如果USB電路符合USB Type-C協(xié)議，則應(yīng)使用和推薦用于USB適配器相同的熱敏元件來保護(hù)USB電路中匹配的USB插座。有關(guān)將熱敏指示器設(shè)計為USB Type-C電路的更多詳細(xì)信息，請參閱我們的設(shè)計和安裝指南3。

控制板

控制板包含用于控制攝像機(jī)并保存視頻數(shù)據(jù)的數(shù)字電子設(shè)備?？刂瓢逍枰槍λ矐B(tài)和靜電放電（ESD）的保護(hù)。對于此電路，我們建議使用一個可承受±30 kV的齊納TVS二極管。該TVS二極管的泄漏電流低于0.5 μA，只從電路中汲取最少的功率。該二極管還占用少量PCB空間，可以安裝在0201表面貼裝封裝中。

無線接口

無線接口與外部無線設(shè)備（例如計算機(jī)，智能手機(jī)和移動平板電腦）進(jìn)行通信。由于該電路暴露在內(nèi)部環(huán)境中，因此該電路容易受到ESD的影響。在這種情況下，請考慮使用聚合物ESD抑制器。聚合物ESD抑制器可保護(hù)電路免受高達(dá)+/- 15 kV的ESD沖擊（通過空氣）和±8kV的人體接觸。此外，其低于0.2 pF的低電容不會降低信號傳輸或接收的性能。

門鈴攝像機(jī)

有線門鈴攝像機(jī)已經(jīng)成為一款非常受歡迎的產(chǎn)品，可以遠(yuǎn)程查看訪客。圖7顯示了門鈴攝像機(jī)示例，圖8顯示了帶有推薦保護(hù)和控制元件的方框圖。

電源裝置

電源裝置與來自交流電源線的降壓交流電壓連接，可承受電流過載和電壓瞬變，如雷電引起的瞬變。與其它電源電路一樣，熔斷器可以防止電流過載。為了防止交流線路上的電壓瞬變，請選擇能吸收功率高達(dá)4kW瞬變的TVS二極管?？紤]使用光學(xué)隔離固態(tài)繼電器來控制其它電路的電源，并防止電源線上的噪聲和瞬態(tài)傳播到下游電路。

電池組

電池組為控制板和用戶界面提供備用電源。電池組及其子單元、電池管理單元和USB電路需要使用為無線攝像機(jī)中的相同電路推薦的類似元件進(jìn)行過電流和瞬態(tài)保護(hù)。增加一個TVS二極管將確保抑制電壓瞬變和ESD沖擊。與無線攝像機(jī)中的電池組一樣，如果USB Type-C協(xié)議是設(shè)計要求，我們建議對USB電路進(jìn)行熱感應(yīng)。

用戶界面

用戶界面會受到人為接觸的靜電放電的影響。使用TVS二極管來保護(hù)用戶界面免受ESD的影響。如果門鈴攝像機(jī)將在歐洲銷售，則需要在激活門鈴和攝像機(jī)之間進(jìn)行切換，以符合歐洲隱私法規(guī)。請考慮使用固態(tài)繼電器來消除機(jī)械繼電器觸點彈跳和電磁干擾（EMI）的產(chǎn)生。

控制板和無線接口

門鈴攝像機(jī)的控制板和無線接口電路的功能與無線攝像機(jī)相同。為無線攝像機(jī)中的這些電路推薦的保護(hù)元件將適用于門鈴攝像機(jī)中的相同電路。

新冠肺炎大流行正在影響安全攝像機(jī)的設(shè)計

一些安全攝像機(jī)制造商正在適應(yīng)新冠肺炎大流行帶來的“新常態(tài)”。他們正在將紅外熱感測技術(shù)添加到攝像機(jī)中，這樣就可以對到家里或企業(yè)的訪客的溫度進(jìn)行離散監(jiān)控。溫度測量可能成為未來智能家居安防系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)功能。隨著安全攝像頭越來越復(fù)雜，包括這方面的健康安全，結(jié)合適當(dāng)?shù)碾娐繁Ｗo(hù)有助于開發(fā)更可靠和強(qiáng)大的設(shè)備。

家用安全攝像機(jī)的適用標(biāo)準(zhǔn)

表1所示的兩個安全標(biāo)準(zhǔn)定義了對音頻/視頻通信技術(shù)設(shè)備和電池（例如鋰電池）的要求。IEC 62368-1涉及了監(jiān)控設(shè)備的安全要求；第二個標(biāo)準(zhǔn)IEC 62311-2規(guī)定了確保鋰電池和電池安全的要求。鋰電池的不當(dāng)組裝和操作可能會導(dǎo)致火災(zāi)；因此，對這些類型的電池進(jìn)行監(jiān)控至關(guān)重要。不遵守這些標(biāo)準(zhǔn)將導(dǎo)致重新設(shè)計工作和再次向標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)提交認(rèn)證。項目成本將會增加，產(chǎn)品的推出可能會推遲。

保護(hù)的價值

通過將保護(hù)和感測元件作為設(shè)計目標(biāo)，并在項目早期將標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)性納入其中，您可以經(jīng)濟(jì)高效地開發(fā)出強(qiáng)大而可靠的智能家居安全系統(tǒng)。當(dāng)然，您的設(shè)計總是在性能和總擁有成本之間進(jìn)行權(quán)衡。雖然有些技術(shù)的成本可能比其它技術(shù)高，但其它因素可能表明，最低的總擁有成本需要成本更高的元件技術(shù)。選擇保護(hù)，控制和傳感元件時，請充分利用元件制造商的工程專業(yè)知識。使用值得信賴的供應(yīng)商可以節(jié)省您的時間和資源。

可靠性和效率提高了您的智能家居安全系統(tǒng)的聲譽(yù)。高質(zhì)量的聲譽(yù)可以導(dǎo)致市場份額的增長和收入的增長。從而提高了盈利能力。

有關(guān)電路保護(hù)、傳感器件和元件選擇標(biāo)準(zhǔn)的更多信息，請參閱Littelfuse提供的《電路保護(hù)選擇指南》和《傳感產(chǎn)品選擇指南》。

原文標(biāo)題：智能家居安全應(yīng)用的電路保護(hù)、控制和傳感設(shè)計注意事項

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