智能鎖等門(mén)窗感應系統的電路保護與傳感組件設計建議

　　設計家庭和建筑物安全產(chǎn)品(例如智能鎖和窗戶(hù)和門(mén)感應設備)的工程師需要確保其設備不會(huì )給客戶(hù)帶來(lái)虛假的安全感。設計人員需要了解遵守適用的安全標準并確保安全、堅固和可靠的產(chǎn)品所需的保護和傳感組件。

　　單就智能鎖市場(chǎng)而言，是一個(gè)高增長(cháng)的市場(chǎng)，是創(chuàng )新的機會(huì )。預計全球智能鎖的年復合增長(cháng)率(CAGR)將達到25%，單位增長(cháng)量將從2019年的約700萬(wàn)臺擴大到2024年的約2300萬(wàn)臺。住宅市場(chǎng)將代表大部分的增長(cháng)，約為70%左右。

　　與智能鎖一樣，對人身安全的認識的提高將推動(dòng)門(mén)窗傳感器在全球范圍內的發(fā)展，尤其是在發(fā)展中經(jīng)濟體中。預計出貨量將從2019年的約3億個(gè)增加到2024年的約4.65億個(gè)。這一增長(cháng)的復合年增長(cháng)率約為9%。智能家居安全產(chǎn)品市場(chǎng)成為一個(gè)健康、有吸引力的市場(chǎng)。

　　保護智能鎖設計

　　智能門(mén)鎖包括一個(gè)用于手動(dòng)訪(fǎng)問(wèn)的鍵盤(pán)、一個(gè)用于智能手機通過(guò)軟件應用訪(fǎng)問(wèn)的無(wú)線(xiàn)協(xié)議鏈接、一個(gè)用于監測門(mén)把手位置的傳感器、用于鎖定或解鎖門(mén)的執行器以及用于檢測規避鎖的壓力傳感。圖1顯示了一個(gè)智能門(mén)鎖的示例，其中包含建議的保護和傳感組件，以確?？煽康牟僮?。圖2提供了智能門(mén)鎖的詳細框圖，圖中顯示了建議的保護和傳感元件的建議位置。

　　靜電放電(ESD)是智能鎖電子器件的首要危險。 用戶(hù)界面和無(wú)線(xiàn)接口都容易受到用戶(hù)的ESD影響。

　　用戶(hù)界面包含鍵盤(pán)，人與鍵盤(pán)接觸，輸入預先編程的訪(fǎng)問(wèn)代碼。個(gè)人是ESD的來(lái)源，特別是在干燥的環(huán)境中。設計人員應保護用戶(hù)接口電路塊免受ESD的影響，以避免損壞敏感的電子器件。

　　圖1.帶有推薦保護和感應解決方案的智能鎖

　　圖2.智能鎖框圖，顯示了建議使用保護和感測組件的電路塊

　　對于ESD保護，設計人員應考慮使用瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)二極管或二極管陣列。TVS二極管是采用硅雪崩技術(shù)構建的齊納二極管，可提供ESD電壓的最小保護等級為±15 kV。一個(gè)TVS二極管陣列可以容納六個(gè)齊納二極管，以保護五個(gè)信號線(xiàn)并提供接地參考。請參見(jiàn)圖3。陣列的優(yōu)點(diǎn)是0402表面貼裝封裝中的一個(gè)節省空間的組件最多可以保護5條線(xiàn)。

　　對電路塊的影響最小。TVS二極管陣列的泄漏電流僅為1 µA。如果需要更高級別的ESD保護，則單個(gè)二極管可以為每條信號線(xiàn)提供ESD保護。如圖4所示，單個(gè)TVS二極管可以承受高達±30 kV的電壓。無(wú)論使用哪種配置，都應將TVS二極管放置在盡可能靠近電路輸入的位置，以防止ESD瞬變滲透到電路中。

　　圖3.示例5線(xiàn)TVS二極管陣列

　　圖4.單個(gè)TVS二極管

　　無(wú)線(xiàn)接口鏈接到蜂窩網(wǎng)絡(luò )或無(wú)線(xiàn)LAN、WiFi網(wǎng)絡(luò )，以與智能手機或其他聯(lián)網(wǎng)設備進(jìn)行通信。由于無(wú)線(xiàn)接口暴露在外部環(huán)境中，因此應該具有ESD保護。推薦的組件是聚合物ESD抑制器。

　　聚合物ESD抑制器的價(jià)值在于其響應和吸收ESD瞬變的能力，而對無(wú)線(xiàn)接口輸出的特性阻抗的影響可以忽略不計。聚合物ESD抑制器可以承受±8 kV的直接接觸ESD和±15 kV的空襲。該組件的典型電容為低0.06 pF。對瞬態(tài)的響應時(shí)間非?？?，不到1 ns。放置位置應盡可能靠近輸入天線(xiàn)連接器。圖5顯示了聚合物ESD抑制器的兩種配置，即雙向組件。

　　圖5.聚合物ESD抑制器的配置，雙向組件

　　智能鎖的感應建議

　　檢測以確保門(mén)完全卡在門(mén)框中，需要一個(gè)傳感器。帶磁性致動(dòng)器的磁簧開(kāi)關(guān)是電池驅動(dòng)的智能鎖的低功耗傳感解決方案。磁簧開(kāi)關(guān)不需要任何驅動(dòng)電源，并且是密封的，在任何環(huán)境下都可以長(cháng)時(shí)間使用。版本可以切換10 W，額定值高達0.5 A或高達200 V的開(kāi)關(guān)，非常適用于低壓控制器電路。此外，表面安裝版本可用于自動(dòng)電路板組裝。

　　設計人員應考慮設計用于安裝在框架(如門(mén)框)上的圓柱形磁性執行器。鋁鎳鈷磁鐵是推薦的材料;而且，尺寸可以小到5 mm x 25 mm。

　　破壞檢測電路塊還需要一個(gè)傳感器，在鎖被破壞和門(mén)被打開(kāi)時(shí)向用戶(hù)發(fā)出警報。同樣，建議使用磁簧開(kāi)關(guān)和執行器。磁簧開(kāi)關(guān)和執行器的組合消耗的功率最小，以最大限度地延長(cháng)電池壽命。 設計人員可以考慮采用靈敏度可調的干簧管-執行器組合，以確保對被篡改的鎖的快速反應。

　　只需要四個(gè)元件就可以為智能鎖提供保護和感應。這些元件占用的電路板空間最小，確保了產(chǎn)品的安全可靠。

　　保護無(wú)線(xiàn)門(mén)窗傳感器設計

　　無(wú)線(xiàn)門(mén)窗傳感器可提供有關(guān)門(mén)窗狀態(tài)的信息。用戶(hù)可以從任何位置獲取有關(guān)門(mén)窗是打開(kāi)還是關(guān)閉的信息。圖6顯示了無(wú)線(xiàn)門(mén)傳感器和無(wú)線(xiàn)窗傳感器的硬件配置。該圖還顯示了針對每個(gè)硬件元素推薦的保護和檢測組件。

　　圖6.無(wú)線(xiàn)門(mén)窗感應系統，其中顯示了推薦的保護和感應組件

　　圖7顯示了系統的兩個(gè)主要元素的框圖。傳感器電路檢測窗戶(hù)或門(mén)的位置，并將信息報告給控制器，該控制器也是用戶(hù)的界面，并將信息發(fā)送到任何位置。感應電路位于門(mén)和窗戶(hù)上，必須允許移動(dòng)。因此，電路必須由電池供電。帶鍵盤(pán)的用戶(hù)界面控制器位于固定位置，因此可以通過(guò)交流線(xiàn)供電。交流電源是商業(yè)安裝的典型應用。

　　圖7.窗戶(hù)和門(mén)傳感器系統的框圖，顯示電路塊以及推薦的保護和傳感組件

　　與智能鎖一樣，設計人員應考慮使用磁簧開(kāi)關(guān)磁致動(dòng)器進(jìn)行接近檢測。無(wú)需激活電源，舌簧開(kāi)關(guān)可延長(cháng)傳感器系統的電池壽命。傳感器和用戶(hù)界面控制器中的無(wú)線(xiàn)接口電路塊可以使用聚合物ESD抑制器，以確保免受ESD影響，同時(shí)保持RF傳輸的完整性。同樣類(lèi)似于智能鎖，帶有其鍵盤(pán)的用戶(hù)界面電路塊應具有防止人為接觸的ESD保護。TVS二極管陣列可以保護敏感信號線(xiàn)免受ESD瞬變的影響。

　　當交流電源和交流-直流電源為用戶(hù)界面控制器供電時(shí)，設計人員需要保護控制器免受交流線(xiàn)路的潛在威脅。對電子設備的潛在損壞可能來(lái)自過(guò)流條件、雷擊和其他電壓瞬變以及ESD瞬變。設計人員可以使用熔斷器和電壓瞬變保護器件來(lái)保護自己的設計不受這些條件的影響。

　　保險絲有很多選擇，包括保險絲的工作特性和外殼樣式，可以滿(mǎn)足廣泛的設計目標。設計人員應考慮使用延時(shí)保險絲或slo-blo保險絲，以免造成不必要的停機。此外，設計人員應選擇熔斷器電流額定值，以適應短期過(guò)載(如適用)的涌入電流。其他考慮因素還包括中斷額定值，該額定值定義了保險絲可以中斷的最大過(guò)載電流。該參數與保險絲尺寸折衷。如果需要一個(gè)小的保險絲，設計人員將需要確保該保險絲能夠承受AC線(xiàn)提供的可用短路電流。最后要考慮的是保險絲的耐寒性。如果功耗是主要考慮因素，則設計人員應尋找具有低抗寒性的保險絲。

　　為了安全地吸收來(lái)自雷電或電機導通和關(guān)斷尖峰的AC線(xiàn)路上的瞬態(tài)電壓的能量，設計人員應考慮使用金屬氧化物壓敏電阻(MOV)。MOV可以從8/20 µs瞬態(tài)脈沖吸收高達10,000 A的電流浪涌。20mm MOV還可以吸收多達530 J的能量。

　　MOV的替代組件是TVS二極管。為保護電路免受雷電和其他瞬態(tài)影響而開(kāi)發(fā)的模型可以承受10/1000 µs脈沖高達1500 W的功率。為了最大程度地降低功耗，TVS二極管在正常工作條件下的消耗電流小于1 µA。此外，TVS二極管可以在不到1 ps的時(shí)間內快速響應瞬態(tài)。提供表面貼裝版本以最大程度地減少組裝工作。圖8顯示了TVS二極管的符號。設計人員可以選擇雙向二極管或單向二極管。

　　圖8.雙向和單向TVS二極管的配置

　　與智能鎖一樣，它并不需要很多組件來(lái)保護窗戶(hù)和門(mén)的感應電路。設計師有多種選擇來(lái)選擇最適合其產(chǎn)品的版本。

　　符合電子安全產(chǎn)品行業(yè)標準

　　設計師應該了解適用于他們正在開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品的標準，以便他們可以在項目的開(kāi)發(fā)階段納入需求。不符合標準可能會(huì )導致潛在的昂貴的重新設計工作和產(chǎn)品推出的延遲。

　　除了諸如IEC 61000系列之類(lèi)的通用產(chǎn)品安全標準(這些標準定義了承受ESD，電快速瞬變和雷擊的要求)外，還存在針對電子鎖和相關(guān)產(chǎn)品的特定標準。表1列出了適用于電子鎖和相關(guān)設備的標準。這些標準涵蓋了北美市場(chǎng)和中國。這些文檔是智能鎖和窗戶(hù)和門(mén)傳感器設計人員必不可少的參考材料。

　　表1.北美和中國的電子鎖及相關(guān)產(chǎn)品標準

　　總結

　　對于智能鎖和窗戶(hù)和門(mén)感應產(chǎn)品的制造商而言，質(zhì)量、可靠性和便利性的聲譽(yù)是其巨大的競爭優(yōu)勢。結合適當的保護和傳感組件將有助于實(shí)現安全可靠的產(chǎn)品。幸運的是，設計人員只需要少量組件即可充分保護其產(chǎn)品并符合安全標準。使用低能耗傳感器，設計人員可以最大限度地延長(cháng)電池壽命，以最大程度地減少電池更換的頻率。設計人員可以使用許多替代組件。獲得最佳設計的最后一項建議是利用組件制造商的專(zhuān)業(yè)知識并尋求他們的建議。