如何提高智能恒溫器的可靠性和效率

智能恒溫器已成為家庭、辦公樓和零售設(shè)施的常用節(jié)能方法。自2018年以來，智能恒溫器市場(chǎng)一直以22%的高復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。在如此高的增長(zhǎng)下，制造商可以很容易地證明新車型的創(chuàng)新是合理的。未來的智能恒溫器將提供廣泛的信息，包括能源使用審計(jì)和暖通空調(diào)系統(tǒng)升級(jí)前后的能耗比較數(shù)據(jù)。

智能恒溫器將采用更多技術(shù)，例如用于控制和數(shù)據(jù)通信的各種物聯(lián)網(wǎng)接口。此外，這些設(shè)備將使用交流線路電源運(yùn)行，并具有電池備用電源，以便在停電期間保持運(yùn)行。

為了確保高度可靠的智能恒溫器，設(shè)計(jì)工程師必須采用堅(jiān)固的組件來保護(hù)恒溫器免受潛在的破壞性外部威脅，例如電源線電流過載、電壓瞬變和靜電放電 （ESD） 沖擊。在本文中，設(shè)計(jì)人員將學(xué)習(xí)如何保護(hù)其敏感的電子電路免受這些危害。有了這些信息，設(shè)計(jì)人員將滿懷信心地開發(fā)出能夠承受危險(xiǎn)瞬變并高度堅(jiān)固可靠的智能恒溫器。

智能恒溫器操作概述

智能恒溫器可以執(zhí)行多種功能。與任何恒溫器一樣，智能恒溫器的主要功能是監(jiān)控周圍環(huán)境中的溫度，并在必要時(shí)激活HVAC系統(tǒng)以保持恒溫器設(shè)定點(diǎn)溫度。使恒溫器智能的功能包括：

傳達(dá)暖通空調(diào)系統(tǒng)狀態(tài)，

處理來自智能手機(jī)、PC 或平板電腦等遠(yuǎn)程設(shè)備的控制信息，

如果需要采取措施，提醒所有者或經(jīng)理。

一些智能恒溫器有一個(gè)電池組，用于在交流線路電源中斷時(shí)備用電源。圖 1 顯示了一個(gè)智能恒溫器示例。圖像周圍的框描述了其功能，并列出了推薦的保護(hù)、控制和傳感技術(shù)，這些技術(shù)將提高智能恒溫器的可靠性和效率。

圖2顯示了智能恒溫器的詳細(xì)框圖?？驁D右側(cè)的表格列出了保護(hù)電路塊并實(shí)現(xiàn)高效控制和傳感的推薦組件。以下段落描述了可能損壞電路的危險(xiǎn)，以及高可靠性和效率所需的推薦保護(hù)、控制和傳感組件。

圖2.智能恒溫器框圖

保護(hù)智能恒溫器免受過載、瞬態(tài)和靜電放電的影響

電源輸入電路塊

電源輸入模塊將來自 HVAC 系統(tǒng)的 24 VAC 輸入轉(zhuǎn)換為為所有其他電路模塊供電的直流電壓。盡管 HVAC 系統(tǒng)將恒溫器的電源線交流電壓降低到 24 VAC，但 24 VAC 線路仍然容易受到電源線過載電流和可能通過 HVAC 系統(tǒng)的電壓瞬變的影響。

為保護(hù)電源輸入免受持續(xù)電流過載的影響，請(qǐng)使用延時(shí)保險(xiǎn)絲使保險(xiǎn)絲能夠承受電機(jī)打開和關(guān)閉引起的浪涌電流。延時(shí)保險(xiǎn)絲將避免因浪涌電流而導(dǎo)致的誤停機(jī)。微型軸向引線和表面貼裝保險(xiǎn)絲可用于低壓電路，以節(jié)省寶貴的印刷電路板空間。

聚合物正溫度系數(shù) （PPTC） 可復(fù)位保險(xiǎn)絲是標(biāo)準(zhǔn)一次性過載保險(xiǎn)絲的替代方法。保險(xiǎn)絲因過載電流發(fā)熱而斷開;但是，當(dāng)溫度低于閾值水平時(shí)，它會(huì)重置，并且在打開后不需要更換。

電力線上的雷擊和大型電機(jī)在電源線上感應(yīng)回電動(dòng)勢(shì)電壓會(huì)導(dǎo)致破壞性的瞬態(tài)過載。這些電壓可以達(dá)到kV水平。雖然HVAC系統(tǒng)可以防止這些過載，但一些能量可以通過HVAC電路傳遞到電源輸入模塊。使用瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）二極管箝位和吸收剩余瞬態(tài)電壓及其能量。TVS二極管提供：

低于 1 ps 的超快響應(yīng)時(shí)間

低鉗位電壓，保護(hù)敏感半導(dǎo)體

能夠安全地吸收 400 W 的峰值脈沖功率

雙向和單向配置

具有表面貼裝外形規(guī)格的版本。

圖3顯示了雙向和單向TVS二極管的符號(hào)。雙向配置中顯示的兩個(gè)二極管使用陰極-陰極連接二極管。

圖3.雙向TVS二極管連接陰極-陰極和單向TVS二極管

電池管理單元

電池管理單元確保所有電池單元均力為負(fù)載供電，并監(jiān)控電池的充電狀態(tài)。使用 TVS 二極管保護(hù)半導(dǎo)體控制電路免受電壓瞬變和 ESD 的影響。考慮使用TVS二極管或多層壓敏電阻（MLV）。這兩種器件都可以提供非常低的鉗位電壓來保護(hù)低壓半導(dǎo)體，并提供符合電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)IEC 61000-4-2的ESD保護(hù)。

設(shè)計(jì)人員應(yīng)通過使用 PPTC 可復(fù)位保險(xiǎn)絲來防止電池過度充電和電池過熱情況。PPTC 保險(xiǎn)絲的版本可以是表面貼裝的 PC 板組件，也可以直接安裝在電池組上，以快速檢測(cè)過熱情況。

輸入/輸出接口

智能恒溫器可以有多個(gè)有線和無線接口。接口受到外部環(huán)境的危險(xiǎn)，通常是ESD沖擊。

對(duì)于 USB 接口，請(qǐng)使用 TVS 二極管進(jìn)行 ESD 保護(hù)。查找：

通過空氣或直接人體接觸至少安全吸收 ±20 kV ESD

最大電容為 1 pF，可將發(fā)送和接收信號(hào)的失真降至最低

不超過 10 V 的低鉗位電壓

單向或雙向二極管

漏電流低于 100 nA。

考慮使用 PPTC 可復(fù)位保險(xiǎn)絲來保護(hù) USB 接口免受電流過載的影響。尋找小型型號(hào)以節(jié)省 PC 板空間。

音頻輸入接口輸出警報(bào)并具有聲控輸入。使用 TVS 二極管保護(hù)此接口的 I/O 線路?？紤]每條線路使用單向或雙向二極管。

輸入用戶界面提供數(shù)據(jù)輸入面板。Zigbee無線通信接口從智能手機(jī)或平板電腦等設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)并接收控制信息。兩個(gè)接口都需要防止ESD沖擊。提供至少10 kV雙向能量吸收的TVS二極管陣列將安全地保護(hù)這兩個(gè)接口。用于無線通信接口的TVS二極管的替代方案是聚合物ESD抑制器。聚合物ESD抑制器的電容非常低，通常約為0.25 pF，以最大限度地降低其對(duì)RF信號(hào)的影響，響應(yīng)時(shí)間不到1 ns，典型漏電流低于10 nA。

商用智能恒溫器中的RS-485有線M-Bus向外部系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。使用不對(duì)稱TVS二極管陣列保護(hù)RS-485數(shù)據(jù)線上的-7 V和+12 V工作電壓。此外，尋找高于 20 kV 的高 ESD 吸收。如圖4所示，一個(gè)組件保護(hù)兩條數(shù)據(jù)線。

圖4.用于吸收每條RS-485數(shù)據(jù)線上的電壓瞬變和ESD的非對(duì)稱TVS二極管陣列原理圖

最后一個(gè)界面是顯示屏，它至少顯示溫度設(shè)置和實(shí)際室溫。TVS二極管（例如推薦用于電池管理單元或多層壓敏電阻的二極管）可以保護(hù)顯示電路。

高效控制和傳感

考慮使用鎖存繼電器驅(qū)動(dòng)器來控制智能恒溫器電路模塊的電源。為避免在切換過程中產(chǎn)生電磁干擾 （EMI），請(qǐng)尋找在交流線路電壓通過 0 V 時(shí)切換的驅(qū)動(dòng)器。此外，閉鎖繼電器在閉合接觸狀態(tài)下不會(huì)消耗功率，因此可節(jié)省功耗。

智能恒溫器最關(guān)鍵的元件是溫度傳感器。考慮使用熱敏電阻，負(fù)溫度系數(shù)（NTC）元件。熱敏電阻提供比其他溫度傳感器類型更好的精度，并檢測(cè)-55至+ 220°C的寬溫度范圍。 使用密封熱敏電阻以獲得長(zhǎng)期的可靠性和穩(wěn)定性。小型表面貼裝版本可節(jié)省印刷電路板空間并允許自動(dòng)插入。

智能恒溫器的適用安全標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計(jì)人員需要了解適用于智能恒溫器的標(biāo)準(zhǔn)，表1列出了這些安全標(biāo)準(zhǔn)。不遵守適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)可能導(dǎo)致無法通過合規(guī)性認(rèn)證測(cè)試、額外的開發(fā)成本和延遲推向市場(chǎng)。

表 1.智能恒溫器的安全標(biāo)準(zhǔn)

采用保護(hù)和長(zhǎng)壽命組件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高可靠性

設(shè)計(jì)人員只需要少量組件即可保護(hù)智能恒溫器并徹底提高其可靠性。成為電子設(shè)計(jì)各個(gè)方面的專家具有挑戰(zhàn)性，因此設(shè)計(jì)人員可以利用制造商應(yīng)用工程師在電路保護(hù)和高效控制方面的專業(yè)知識(shí)。他們可以在以下方面提供幫助：

經(jīng)濟(jì)高效的組件選擇

關(guān)于遵守適用安全標(biāo)準(zhǔn)的指南

預(yù)一致性測(cè)試，以幫助在合規(guī)性測(cè)試之前識(shí)別問題（某些制造商提供的服務(wù)）。

使用推薦的保護(hù)、控制和傳感組件將確?？煽康闹悄芎銣仄骶哂袕?qiáng)大的外部危害保護(hù)，同時(shí)提供高效操作。

審核編輯：郭婷