基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智能家居安全系統(tǒng)應用

作者：Ryan Sheahen， Littelfuse

本文探討了智能家居安全應用中保護和控制電路的元件，特別是用于保護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)技術的進步推動了智能家居安全系統(tǒng)的發(fā)展，該系統(tǒng)可為消費者提供安全性、便利性和能源效率。新的傳感技術和無線協(xié)議（如無線局域網(wǎng)（Wi-Fi））已經創(chuàng)造了一系列器件，可以監(jiān)控安全設備、門禁設備、家用電器、能源管理設備、電源插座、照明和娛樂系統(tǒng)。圖1說明了支持智能家居的物聯(lián)網(wǎng)技術的廣度。

圖1.智能家居技術的優(yōu)勢包括對娛樂、家電、門禁、電源和能源以及安全的控制。

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%的大幅復合年增長率(CAGR)。在這個市場上有很大的創(chuàng)新和新產品的機會。

可靠等于安全

智能家居安防產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入市場并且產品差異化程度縮小，產品質量將成為消費者更大的決定因素。因此，產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)的設計人員提供使用和選擇保護和控制其電路的元件的建議。用于保護以下產品的元件將被介紹：

• 有線和無線安全攝像機
• 有線門鈴攝像機

有線安全攝像機

有線安全攝像機系統(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和控制攝像頭的推薦元件。這些攝像機由交流線路供電，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。

設計人員將需要保護其攝像機電路免受這些危險條件的損害。圖3顯示了有線安全攝像機以及為確保產品可靠而推薦使用的保護和控制元件的框圖。

圖2.有線安全攝像機示例以及推薦的保護和控制元件

圖3.有線安全攝像機方框圖，顯示電路及其推薦的保護和控制元件。

電源適配器

電源適配器與交流電源線連接，并且需要保護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行過載保護，使用金屬氧化物變阻器（MOV）來保護瞬態(tài)電流浪涌，并使用瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）二極管來保護瞬態(tài)電壓。這三個元件以及為您的設計選擇的參數(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，請選擇能夠對連續(xù)過載（例如在幾秒鐘內達到200％過載）快速響應的熔斷器。選擇熔斷器時，請不要忽略其它關鍵參數(shù)。確認熔斷器的額定電壓是否超過電源可以達到的最大線路電壓。另外，請確保分斷額定值高于電路可能遇到的最壞情況下的電流過載。

適當?shù)姆謹囝~定值將避免由于交流線路產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認證的保險絲來簡化和加快產品安全合規(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）來保護電源，該金屬變阻器的位置應盡可能靠近電源的輸入。MOV可以吸收高達10kA的浪涌電流，并且可以吸收超過500J的峰值脈沖能量。由于MOV與電源線接觸，因此請使用UL/IEC認證的元件。

您要考慮的第三個保護元件是瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)二極管，用于保護下游電路免受電壓瞬變的影響。TVS二極管對瞬變的響應速度極快，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10V。

直流輸入級

直流輸入級為控制板、電機驅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和暫態(tài)電壓保護。傳統(tǒng)熔斷器或可復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5000W的瞬變。

控制板

控制板包含攝像機智能電路?？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?？刂瓢宓膬蓚€電路應具有保護元件。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，應具有電流過載和暫態(tài)電壓保護。與直流輸入級一樣，選擇常規(guī)熔斷器或可復位熔斷器進行電流過載保護。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PoEI/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合的雙向二極管陣列，可承受±30kV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。

圖4.設計用于多個I/O端口ESD保護的TVS二極管陣列

電機驅動

電機驅動模塊具有一個平移和傾斜電機電路，可將攝像機定位以跟蹤運動。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。光學隔離可防止電機噪聲和瞬變耦合回平移和傾斜控制電路中。固態(tài)開關可提供無抖動開關，以實現(xiàn)對電機的平穩(wěn)控制。尋找具有零交叉開關的固態(tài)開關，以最大程度地減少電動機的啟動瞬變。另外，尋找具有限制電流功能的開關，以防止電機停轉。

無線安全攝像機

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

圖5.帶有推薦保護元件的無線安全攝像機示例

圖6.無線安全攝像機的方框圖以及推薦的保護和傳感元件

適配器

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

如果設計將使用USBType-C協(xié)議，那么USBType-C高密度連接器需要熱感應來檢測連接器引腳之間的短路。符合USBType-C設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USBType-C標準2。在糾正導致溫度升高的問題后，傳感元件會以低電阻復位。

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可以經受靜電放電（ESD）。我們建議使用可復位熔斷器，即PPTC表面貼裝保險絲，以防止因電池組故障而產生的過電流。達到200%的過載時，PPTC熔斷器將在不到一秒的時間內動作，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電路應具有ESD保護。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半導體元件。當節(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USBType-C協(xié)議，則應使用和推薦用于USB適配器相同的熱敏元件來保護USB電路中匹配的USB插座。有關將熱敏指示器設計為USBType-C電路的更多詳細信息，請參閱我們的設計和安裝指南3。

控制板

控制板包含用于控制攝像機并保存視頻數(shù)據(jù)的數(shù)字電子設備?？刂瓢逍枰槍λ矐B(tài)和靜電放電（ESD）的保護。對于此電路，我們建議使用一個可承受±30kV的齊納TVS二極管。該TVS二極管的泄漏電流低于0.5μA，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備（例如計算機，智能手機和移動平板電腦）進行通信。由于該電路暴露在內部環(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抑制器可保護電路免受高達+/-15kV的ESD沖擊（通過空氣）和±8kV的人體接觸。此外，其低于0.2pF的低電容不會降低信號傳輸或接收的性能。

門鈴攝像機

有線門鈴攝像機已經成為一款非常受歡迎的產品，可以遠程查看訪客。圖7顯示了門鈴攝像機示例，圖8顯示了帶有推薦保護和控制元件的方框圖。

圖7.有線門鈴攝像機示例以及推薦的保護和控制解決方案

圖8.帶有推薦保護和控制元件的有線門鈴攝像機方框圖

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4kW瞬變的TVS二極管?？紤]使用光學隔離固態(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中的相同電路推薦的類似元件進行過電流和瞬態(tài)保護。增加一個TVS二極管將確保抑制電壓瞬變和ESD沖擊。與無線攝像機中的電池組一樣，如果USBType-C協(xié)議是設計要求，我們建議對USB電路進行熱感應。

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二極管來保護用戶界面免受ESD的影響。如果門鈴攝像機將在歐洲銷售，則需要在激活門鈴和攝像機之間進行切換，以符合歐洲隱私法規(guī)。請考慮使用固態(tài)繼電器來消除機械繼電器觸點彈跳和電磁干擾（EMI）的產生。

控制板和無線接口

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

新冠肺炎大流行正在影響安全攝像機的設計

一些安全攝像機制造商正在適應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添加到攝像機中，這樣就可以對到家里或企業(yè)的訪客的溫度進行離散監(jiān)控。溫度測量可能成為未來智能家居安防系統(tǒng)的標準功能。隨著安全攝像頭越來越復雜，包括這方面的健康安全，結合適當?shù)碾娐繁Ｗo有助于開發(fā)更可靠和強大的設備。

圖9.安全攝像頭增加了熱掃描功能來監(jiān)控體溫以防止新冠肺炎

家用安全攝像機的適用標準

表1所示的兩個安全標準定義了對音頻/視頻通信技術設備和電池（例如鋰電池）的要求。IEC62368-1涉及了監(jiān)控設備的安全要求；第二個標準IEC62311-2規(guī)定了確保鋰電池和電池安全的要求。鋰電池的不當組裝和操作可能會導致火災；因此，對這些類型的電池進行監(jiān)控至關重要。不遵守這些標準將導致重新設計工作和再次向標準機構提交認證。項目成本將會增加，產品的推出可能會推遲。

表1.具有監(jiān)控攝像機的產品的安全標準

保護的價值

通過將保護和感測元件作為設計目標，并在項目早期將標準合規(guī)性納入其中，您可以經濟高效地開發(fā)出強大而可靠的智能家居安全系統(tǒng)。當然，您的設計總是在性能和總擁有成本之間進行權衡。雖然有些技術的成本可能比其它技術高，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。選擇保護，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。高質量的聲譽可以導致市場份額的增長和收入的增長。從而提高了盈利能力。

有關電路保護、傳感器件和元件選擇標準的更多信息，請參閱Littelfuse提供的《電路保護選擇指南》和《傳感產品選擇指南》。

編輯：hfy