本文為設計人員提供了電源插座設計的保護和低功耗控制元件的建議，這些元件既能防止過載損壞敏感電路，又能最大限度地提高器件效率。

無線通信、互聯(lián)網(wǎng)和電子電路的發(fā)展推動了智能設備的發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)技術正在向智能設備（物聯(lián)網(wǎng)）發(fā)展。提供電源控制、安全、環(huán)境控制和娛樂功能的智能設備在家庭中越來越普遍。現(xiàn)在有智能版本的非智能電源控制設備包括調光器、電源插座和接地故障電路中斷器（GFCI）/電弧故障電路中斷器（AFCI）。

雖然非智能設備只能手動控制或始終通電，但智能設備具有允許自動控制和狀態(tài)反饋的電子設備和固件。智能設備是物聯(lián)網(wǎng)領域的一個組成部分，對來自個人計算機、平板電腦、智能手機或虛擬助手的控制作出響應。這些產品使用無線通信協(xié)議（如蜂窩、Wi-Fi或藍牙）訪問智能設備。

安全可靠設計

設計者面臨的挑戰(zhàn)是確保這些新的智能設備安全可靠，這樣消費者就可以在沒有中斷服務風險的情況下?lián)碛懈呖煽啃?。因此，設備需要過電壓保護和過電流保護，以維持運行，即使在受到廣泛的環(huán)境危害時，如雷電沖擊、感應功率浪涌、靜電放電（ESD）和電快速瞬變。本文為設計者提供了保護和低功耗控制元件的建議，這些元件既能防止過載損壞敏感電路，又能最大限度地提高器件效率。

保護智能調光器和電源插座

調光器和電源插座連接到交流電源線上，并受到交流線路上可能出現(xiàn)的過電流和瞬時過電壓條件的影響。諸如雷擊、由負載浪涌引起的電源線電壓變化、電機啟動或關閉產生的感應瞬變以及靜電放電（ESD）等瞬變會損壞控制智能調光器和智能電源插座的電子電路。

圖1顯示了為保護電子電路和有效控制調光器和智能電源插座而推薦的保護和控制組件。

圖1智能燈調光器和智能電源插座的推薦保護和控制部件。

智能調光器的保護和控制部件

調光器是家庭中控制照明設備照明的常用設備。智能調光器允許精確遙控或定時控制燈具或一組燈。圖2顯示了電子調光開關的框圖，并顯示了使用推薦的保護和控制元件的具體電路塊。

圖2智能調光器的方框圖。電路塊建議的安全和控制部件選項如方框圖旁邊的列表所示。

交流輸入保護電路

交流輸入保護電路塊直接與交流電源線連接，需要過電流和瞬態(tài)電壓保護。設計人員應熔合電路板，以防止過電流對下游電路板造成損壞。我們建議使用慢熔斷保險絲，以避免因開關電源等浪涌電流而造成故障停機。保險絲的額定電壓應超過額定交流線路電壓。

保險絲的一個關鍵參數(shù)是它的中斷額定值。確保所選保險絲在大過載期間不會熔化或蒸發(fā)。估計電源線的最大電流容量，并選擇中斷額定值超過潛在可用電流的保險絲。額定電流為100kA的熔斷器。

為了保護交流輸入保護電路不受交流線路瞬變的影響，我們建議使用金屬氧化物變阻器（MOV）。MOV能夠承受瞬態(tài)的最大電壓，并能吸收瞬態(tài)電壓引起的電流浪涌。我們建議你考慮一個MOV，它能吸收10000 a的電流脈沖和400 J的瞬態(tài)能量。良好的設計實踐是將MOV盡可能靠近pc板的輸入，以防止瞬態(tài)傳播到電路中。

在交流輸入保護電路的二次側，使用瞬態(tài)電壓抑制二極管（TVS）保護下游次級電路。您可以選擇單向或雙向二極管，這取決于電路可能同時受到正和負瞬態(tài)的影響。TVS二極管對瞬態(tài)響應非?？欤?ps以下。它們可以吸收1500 W的峰值脈沖功率，并且具有低鉗位電壓以保護低壓電子電路。

開關電路

開關電路控制燈具的輸出。最大限度地降低功耗可以最大限度地提高電路的效率，并最大限度地減少調光器中的熱量積聚。我們建議使用低保持電流的雙向晶閘管。

雙向晶閘管可用于保持電流低于10毫安。它們還可以在超過100°C的結溫下安全運行。為了進一步提高效率，考慮使用MOSFET來控制TRIAC的功率。選擇低RDS（on）電阻小于0.5Ω、開關時間快的功率MOSFET，以減少器件轉換過程中的功率損耗和MOSFET處于導通狀態(tài)時的功耗。

你可以用一個單片柵極驅動器來簡化驅動mosfet的管理。柵極驅動芯片可以包含兩個驅動放大器來控制高側、低側功率mosfet并使其開關速度最大化。選擇一個具有足夠電流容量的柵極驅動器來驅動mosfet。最后，用MOV保護電路不受已傳播到開關電路的線電壓浪涌的影響，MOV可以承受與建議用于交流輸入保護電路的MOV相似的量。

無線通信電路

無線通信電路使用無線LAN（Wi-Fi）協(xié)議與PC、平板電腦或智能手機進行通信，以遠程控制調光器。該電路與外部環(huán)境相連接，并受到靜電放電的影響，主要由智能調光器的用戶引起。

我們建議使用雙向TVS二極管陣列（如圖3所示）或聚合物ESD保護裝置來保護無線通信電路。

圖3兩個背靠背二極管的雙向TVS二極管陣列

這兩種器件都可以保護I/O端口，由于電容低于1 pF，對電路性能的影響最小。此外，兩個組件都有表面貼裝包裝，以節(jié)省有限的pc板空間。此外，它們的漏電流小于1μA，從而降低了電路的功率負載。最重要的是，根據(jù)IEC 61000-4-2 ESD標準，任何一個設備都能承受±12 kV的ESD沖擊。

本地交換機

本地開關允許用戶手動控制調光器的輸出功率。與無線通信電路一樣，該電路與外部環(huán)境相連接，極有可能受到靜電放電的沖擊。該電路需要與無線通信電路相同的保護元件。再次選擇二極管陣列或聚合物ESD保護裝置。

智能插座的保護和控制部件

圖4顯示了智能插座中的電路塊以及提供保護和有效控制的推薦組件。與智能調光開關一樣，智能插座具有交流輸入模塊、AC-DC轉換電源模塊、無線通信電路和手動開關控制電路。

圖4智能插座方框圖，顯示需要保護和控制部件的位置。下表列出了建議的組件選項。

交流輸入保護及整流

交流輸入和保護電路連接到交流電源線，并且像調光器開關的交流輸入保護塊一樣，會受到大的過電流沖擊和高過電壓瞬態(tài)的影響，這些都會在電源線上感應和傳播。因此，智能插座電路的交流輸入需要一個保險絲、一個MOV和一個TVS二極管，其特性與燈光調光器輸入電路的推薦特性相同。

電源

考慮到智能插座的空間和效率，建議使用開關電源來產生控制電路所需的直流電壓。我們建議使用高頻設計最大限度地提高效率?？紤]在電路中使用肖特基整流二極管。這些器件通常在0.5伏的工作頻率下工作，可以節(jié)省高電壓降。

無線通信和本地開關

與智能調光開關一樣，無線通信和本地開/關開關電路暴露在外部環(huán)境中，并受到靜電放電的影響。用TVS二極管陣列或聚合物ESD抑制器保護這些電路不受ESD的影響。

保護GFCI、AFCI插座和USB電源插座

自20世紀70年代以來，GFCI插座一直用于保護個人免受潮濕環(huán)境的影響。自2014年和2015年以來，《國家電氣規(guī)范》和《加拿大電氣規(guī)范》分別要求AFCI在新建住宅設施和住宅時使用。當帶電線路上傳輸?shù)呢撦d電流不返回中性線時，GFCI會感應到。

如果電流不平衡超過預先確定的跳閘水平，GFCI會切斷電源插座的電源，以防止觸電危險。AFCI檢測到電弧情況并切斷電源插座以防止火災。圖5顯示了GFCI、AFCI和帶USB充電端口的電源插座的建議保護和控制組件。

圖5GFCI、AFCI和USB充電插座的推薦保護和控制組件。

圖6顯示了GFCI和AFCI中的電路塊。GFCI具有電流不平衡檢測電路，而AFCI具有電弧檢測電路。與智能調光器和智能插座一樣，這兩個設備連接到交流電源線，需要過電流和瞬態(tài)電壓保護。

圖6GFCI或AFCI的框圖。下表列出了建議的保護和控制部件。

點火電路

這些設備中的每一個都需要一個電路來控制可以中斷出口電源的繼電器。這是點火電路。我們建議您考慮使用可控硅來控制機電繼電器。有了可控硅，你可以設計一個簡單的控制電路，既高效又緊湊。SCR是一個堅固的組件，可以承受高達100A的大電流浪涌，并且可以支持超過600V的電壓。如果繼電器線圈的功率消耗很低，那么您可以使用表面安裝版本的組件。

USB插座

USB插座為使用USB電纜的便攜式設備供電或重新充電提供了便利。用戶不需要USB電源適配器塊，因為插座提供直流充電電流。USB插座需要與交流電源線接口的其他智能設備一樣的熔斷和瞬態(tài)電壓保護。圖7顯示了帶有USB充電端口的USB電源插座的框圖。

圖7USB插座的方框圖。建議的保護和控制部件見下表。

USB插座中的開關電路為插座提供直流輸出。通過使用低正向電壓肖特基二極管和高頻開關設計，可以最大限度地提高電路的效率。此外，考慮使用功率MOSFET和集成柵極驅動器來進一步提高DC功率控制電路的效率。

符合安全標準

由于每個智能插座都與交流電源線相連，因此它們符合保險商實驗室（UL）和國際電工委員會（IEC）頒布的適用國家和國際安全標準。適用于各種智能插座的標準如圖8所示，如表1所示。

圖8適用于調光器和電源插座的安全和ESD標準。

表1。電源插座適用的國家和國際標準和合規(guī)性清單

我們建議將這些標準的要求包括在產品定義中，以便在設計項目期間經(jīng)濟有效地設計保護組件。選擇UL認可的交流電源線路徑中的保護組件?；跇藴室蟮脑O計和測試結合使用UL認可的組件，既減少了認證時間，又避免了認證失敗。

保護和控制部件的價值

物聯(lián)網(wǎng)技術的進步融入了新產品中，如智能插座，使家庭更安全、更環(huán)保、更方便。為了確保這些智能產品的成功采用，它們需要健壯、可靠和安全。設計人員可以通過確保他們的設計具有過流保護、過電壓保護和低功耗控制組件來確保產品的健壯和安全。

設計師還可以利用這些元件制造商的應用專業(yè)知識，例如Littelfuse，他們可以幫助設計師推薦電路配置、安全標準知識和元件選擇，從而節(jié)省大量的時間和精力。您的努力將使產品獲得可靠性、安全性和收入增長的聲譽。

額外資源

有關小型電路保護解決方案的更多信息，請參閱以下文檔：

• 保險絲學選擇指南：https://m.littelfuse.com/~/media/electronics/product_catalogs/littelfuse_fuseology_selection_guide.pdf.pdf
• 電路保護產品選擇指南：https://info.littelfuse.com/circuit-protection-product-selection-guide-lit?utm_source=eetech-aac&utm_medium=article&utm_campaign=BLD
• 靜電放電抑制設計指南：https://m.littelfuse.com/~/media/electronics/design_guides/esd/littelfuse_esd_suppression_design_guide.pdf.pdf