智能鎖等門窗感應系統(tǒng)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(例如智能鎖和窗戶和門感應設備)的工程師需要確保其設備不會給客戶帶來虛假的安全感。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。

　　單就智能鎖市場而言，是一個高增長的市場，是創(chuàng)新的機會。預計全球智能鎖的年復合增長率(CAGR)將達到25%，單位增長量將從2019年的約700萬臺擴大到2024年的約2300萬臺。住宅市場將代表大部分的增長，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門窗傳感器在全球范圍內(nèi)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3億個增加到2024年的約4.65億個。這一增長的復合年增長率約為9%。智能家居安全產(chǎn)品市場成為一個健康、有吸引力的市場。

　　保護智能鎖設計

　　智能門鎖包括一個用于手動訪問的鍵盤、一個用于智能手機通過軟件應用訪問的無線協(xié)議鏈接、一個用于監(jiān)測門把手位置的傳感器、用于鎖定或解鎖門的執(zhí)行器以及用于檢測規(guī)避鎖的壓力傳感。圖1顯示了一個智能門鎖的示例，其中包含建議的保護和傳感組件，以確保可靠的操作。圖2提供了智能門鎖的詳細框圖，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。 用戶界面和無線接口都容易受到用戶的ESD影響。

　　用戶界面包含鍵盤，人與鍵盤接觸，輸入預先編程的訪問代碼。個人是ESD的來源，特別是在干燥的環(huán)境中。設計人員應保護用戶接口電路塊免受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(gòu)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TVS二極管陣列可以容納六個齊納二極管，以保護五個信號線并提供接地參考。請參見圖3。陣列的優(yōu)點是0402表面貼裝封裝中的一個節(jié)省空間的組件最多可以保護5條線。

　　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，則單個二極管可以為每條信號線提供ESD保護。如圖4所示，單個TVS二極管可以承受高達±30 kV的電壓。無論使用哪種配置，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TVS二極管陣列

　　圖4.單個TVS二極管

　　無線接口鏈接到蜂窩網(wǎng)絡或無線LAN、WiFi網(wǎng)絡，以與智能手機或其他聯(lián)網(wǎng)設備進行通信。由于無線接口暴露在外部環(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抑制器的價值在于其響應和吸收ESD瞬變的能力，而對無線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)的響應時間非?？?，不到1 ns。放置位置應盡可能靠近輸入天線連接器。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

　　檢測以確保門完全卡在門框中，需要一個傳感器。帶磁性致動器的磁簧開關(guān)是電池驅(qū)動的智能鎖的低功耗傳感解決方案。磁簧開關(guān)不需要任何驅(qū)動電源，并且是密封的，在任何環(huán)境下都可以長時間使用。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電路板組裝。

　　設計人員應考慮設計用于安裝在框架(如門框)上的圓柱形磁性執(zhí)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傳感器，在鎖被破壞和門被打開時向用戶發(fā)出警報。同樣，建議使用磁簧開關(guān)和執(zhí)行器。磁簧開關(guān)和執(zhí)行器的組合消耗的功率最小，以最大限度地延長電池壽命。 設計人員可以考慮采用靈敏度可調(diào)的干簧管-執(zhí)行器組合，以確保對被篡改的鎖的快速反應。

　　只需要四個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。

　　保護無線門窗傳感器設計

　　無線門窗傳感器可提供有關(guān)門窗狀態(tài)的信息。用戶可以從任何位置獲取有關(guān)門窗是打開還是關(guān)閉的信息。圖6顯示了無線門傳感器和無線窗傳感器的硬件配置。該圖還顯示了針對每個硬件元素推薦的保護和檢測組件。

　　圖6.無線門窗感應系統(tǒng)，其中顯示了推薦的保護和感應組件

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

　　圖7.窗戶和門傳感器系統(tǒng)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關(guān)磁致動器進行接近檢測。無需激活電源，舌簧開關(guān)可延長傳感器系統(tǒng)的電池壽命。傳感器和用戶界面控制器中的無線接口電路塊可以使用聚合物ESD抑制器，以確保免受ESD影響，同時保持RF傳輸?shù)耐暾浴Ｍ瑯宇愃朴谥悄苕i，帶有其鍵盤的用戶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免受ESD瞬變的影響。

　　當交流電源和交流-直流電源為用戶界面控制器供電時，設計人員需要保護控制器免受交流線路的潛在威脅。對電子設備的潛在損壞可能來自過流條件、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，可以滿足廣泛的設計目標。設計人員應考慮使用延時保險絲或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載電流。該參數(shù)與保險絲尺寸折衷。如果需要一個小的保險絲，設計人員將需要確保該保險絲能夠承受AC線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。

　　為了安全地吸收來自雷電或電機導通和關(guān)斷尖峰的AC線路上的瞬態(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的時間內(nèi)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保護窗戶和門的感應電路。設計師有多種選擇來選擇最適合其產(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發(fā)的產(chǎn)品的標準，以便他們可以在項目的開發(fā)階段納入需求。不符合標準可能會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和中國。這些文檔是智能鎖和窗戶和門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(jié)

　　對于智能鎖和窗戶和門感應產(chǎn)品的制造商而言，質(zhì)量、可靠性和便利性的聲譽是其巨大的競爭優(yōu)勢。結(jié)合適當?shù)谋Ｗo和傳感組件將有助于實現(xiàn)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業(yè)知識并尋求他們的建議。