智能家居系統電路保護

摘要：本文介紹了一種智能家居的電路保護系統，并且分電源接口和信號接口兩個方向介紹，針對系統電源口防護、DC口供電保護、信號線保護等問題提出解決方案，并付諸于實踐。本文網絡版地址：http：∥www.eepw.com.cn/article/276367.htm

關鍵詞：智能家居；過電壓；過電流；2Pro；PPTC

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2015.6.019

隨著互聯網技術高速發展，傳統行業與互聯網行業融合已是大勢所趨。智能家居這一概念已產生多年，近年來伴隨建筑、家電、安全防護、互聯網和通信以及IT等行業的快速成長，智能家居行業開始呈現蓬勃發展之勢。由于智能家居系統涉及多個行業，如建筑、裝潢、家電、互聯網等，行業間的協調和標準統一方面目前還不成熟，這要求智能家居系統更多地考慮產品的安全特性，例如對于施工現場可能出現的錯接、短路等誤操作具有極強的保護性且維修成本低：另外智能家居的安裝和布線可能是一次性的，所以系統最好具有極高的可靠性，對應用過程中可能出現的雷擊浪涌、電網過電壓、靜電等能夠及時保護。

實際應用中，智能家居系統的電源接口和信號接口極易受到雷擊浪涌、電網電壓波動、靜電和老化短路、接線錯誤等過電壓及過電流故障侵害，導致系統故障或損壞。為提高系統的安全性和可靠性，需要在設計時考慮對其相應接口做充分的保護。

1 系統電源口防護

對于存在交流供電輸入口的產品，供電口常見的可能出現的異常輸入包括雷擊、電源零線丟失、輸入電壓錯誤、電力線感應等過電壓故障和錯接、短路等過電流故障。這些故障可能會使智能家居這類的低功率系統損壞，可以通過單獨或聯合采用PPTC或Fuse（保險絲）以及MOV（金屬氧化物壓敏電阻）等器件實現保護。

如圖1所示的典型應用電路所示，由PPTC和MOV耦合而成的2Pro產品，在發生偶然的瞬態過壓時，并聯于電路中的MOV導通泄放故障能量，而其過程中如果存在過高的電流或熱量會使耦合的PPTC進入高阻狀態，從而降低Mov元件失效的風險；同時串聯于電路中的PPTC則可以對可能過電流故障進行及時的保護。從圖2所示的典型雷擊浪涌響應曲線可以看出，2Pro產品可以及時地保護下游設備免遭浪涌瞬時過電壓的破壞。2Pro的耦合集成設計比單一的分立器件設計對過電壓、過電流及過溫有著更可靠的保護效果，如圖3所示，這是因為在某些故障條件下，如零線丟失，即便上游使用的分立的保險絲或功率電阻，MOV也可能會過熱而燒毀從而導致災難性后果。

2 DC口供電保護

對于直流口，供電口常見的可能出現異常輸入包括錯接電源、反接電源等過電壓故障和短路等過電流故障。這些故障可能會使智能家居這類低功率系統損壞，如果通過其他的方案來實現這些保護，可能會用到PPTC或Fuse、二極管、場效應管、IC及阻容等，需要的周邊器件比較多，成本及空間要求高。而TE的PolyZEN產品在更可靠地解決這些問題的同時，可以有效節約設計空間和成本，器件的可恢復特性則大大地有利于后期維護。

PolyZEN由PPTC和Zener管耦合而成，在輸入電壓異常的情況下，PolyZEN能夠輸出較為穩定的電壓，可以保護輸入電源錯誤或反接電源的故障情形：在回路電流異常的情況下，PPTC可以有效地“切斷”電路，使得下游電子設備得到有效的保護。圖4是PolyZEN典型的應用示意圖。

圖5所示的是PolyZEN在錯接輸入電源情況下的響應曲線，當輸入電源超出規定值時，Zener管擊穿，電流從Zener管泄放，輸出電壓穩定在設計值范圍內，此時Zener管發熱，使得耦合的PPTC動作，限制回流電流，保護電子設備。動作時間在ms級，且故障排除后器件可恢復。PolyZEN的熱耦合設計，使得<1W封裝的PolyZEN產品可以耐受100W以上的錯誤電源輸入，卻不需要除印制電路導體帶之外的任何特殊散熱結構。

更為吸引人的是，充分考量下游負載和可能的過電壓輸入，在某些條件下，即使輸入電源錯誤，PolyZEN不僅可以保護下游電路不被損壞，而且可以維持設備的正常運行，如圖6所示。PolyZEN的使用，使得智能家居系統更為穩健，能夠適應惡劣的使用環境。

不僅如此，PolyZEN還具有靜電和浪涌防護等功能，一顆小小的器件，卻能帶給工程師無限的驚喜。新一代的PolyZEN擁有很小的封裝，已經廣泛地應用與汽車電子、消費電子和工業等各個領域。

3 信號線保護

智能家居系統的信號線由于現場操作的失誤，容易出現錯接電源線、絕緣損傷短路、雷擊浪涌等情況。圖7是典型的信號口保護電路方案，可以保護雷擊浪涌、電力線搭接、短路等智能家居中常見的故障情況。通過PPTC/GDT/TVS等過流、過壓保護器件的聯用，形成對下游電路的有效保護。具體器件的選型，應根據客戶的應用要求、故障類型及保護等級要求等方面加以考量和測試，確保產品的高可靠性。

智能家居系統伴隨著人們的日常生活。靜電在日常生活中是十分常見的，人體摩擦感應的靜電甚至可達到15kV以上。靜電及其放電可通過力學效應、熱效應、強電場效應等對元器件造成破壞或損傷，既可能是永久性的（如功能喪失，不能恢復），也可能是暫時性的（如靜電放電產生的干擾使功能暫時喪失）：既可能是突發失效，也可能是潛在失效，具有極強的隱蔽性、潛在性、隨機性及復雜性。

IC和MosFET等電子器件是靜電危害的重災區，其中80%的損失都是潛在性的，會導致電路功能暫時性失效。圖8是ESD對IC和MosFET的破壞和損傷：電路如果沒有有效的靜電防護措施，常常會出現功能異常、死機等，嚴重的，甚至可能產生人身損傷或財產損失。

TE的PESD和SESD器件可以有效的保護信號線的靜電故障，寄生電容（圖9）極低，可以應用于常規的信號線及RF天線等。