智能熱水器設(shè)計(jì)：您不應(yīng)忘記使用的三項(xiàng)重要技術(shù)

本文為設(shè)計(jì)人員提供了三種關(guān)鍵技術(shù)的信息：保護(hù)、控制和檢測(cè)，用于開(kāi)發(fā)對(duì)外部過(guò)載、瞬態(tài)和 ESD 具有魯棒性的電熱水器。代表這些技術(shù)的組件將有助于創(chuàng)建安全，高效，長(zhǎng)壽命的熱水器，可以安全地控制水溫。通過(guò)使用推薦的組件，設(shè)計(jì)工程師將實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)高質(zhì)量、可靠、智能熱水器的目標(biāo)。

包括物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 在內(nèi)的新技術(shù)使每種產(chǎn)品（包括電器、照明和 HVAC 系統(tǒng)）都成為計(jì)算機(jī)控制的智能設(shè)備。從本質(zhì)上講，任何執(zhí)行一定程度控制的產(chǎn)品都可以成為智能設(shè)備。這個(gè)概念也適用于無(wú)處不在的熱水器。因此，電熱水器市場(chǎng)正以7.4%的復(fù)合年增長(zhǎng)率以有吸引力的速度增長(zhǎng)。政府正在通過(guò)激勵(lì)消費(fèi)者將其燃?xì)鉄崴到y(tǒng)轉(zhuǎn)換為電力系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)凈零排放倡議來(lái)刺激增長(zhǎng)。此外，一些地區(qū)的新建筑規(guī)范將不允許天然氣連接，進(jìn)一步加速熱水器等全電動(dòng)產(chǎn)品的增長(zhǎng)。

為熱水器添加智能功能增加了敏感的電子電路。設(shè)計(jì)人員有責(zé)任通過(guò)保護(hù)電子設(shè)備免受電流過(guò)載、電壓瞬變、靜電放電 （ESD） 和過(guò)熱的影響來(lái)確保熱水器的可靠性。保護(hù)電子設(shè)備還可以確保接觸熱水器的個(gè)人免受熱和電危害。設(shè)計(jì)人員還需要確保使用長(zhǎng)壽命組件。

智能電熱水器概述

像當(dāng)今幾乎所有可用的電氣和電子產(chǎn)品一樣，電熱水器使用微控制器來(lái)處理編程信息并在所需溫度下供水。熱水器使用交流線路電源來(lái)控制加熱元件，并為微控制器和其他直流電路（如觸摸屏顯示器和無(wú)線接口）供電。溫度探頭提供輸入和輸出水溫，使微控制器能夠控制加熱元件。

本文介紹了如何保護(hù)電路模塊，并提供了應(yīng)用控制和傳感的適當(dāng)組件解決方案。

保護(hù)熱水器免受過(guò)載、瞬變和 ESD 的影響

交流輸入保護(hù)電路

交流輸入保護(hù)塊可保護(hù)熱水器電路免受交流線路上固有的電流過(guò)載和高壓瞬變的影響。使用保險(xiǎn)絲防止電流過(guò)載，使用金屬氧化物壓敏電阻（MOV）吸收交流線路上感應(yīng)的電壓瞬變。

考慮使用盒式保險(xiǎn)絲，以便在電流過(guò)載導(dǎo)致保險(xiǎn)絲跳閘時(shí)輕松更換。確保支持保險(xiǎn)絲的保險(xiǎn)絲座符合 UL/CSA/IEC 標(biāo)準(zhǔn)。

使用金屬氧化物壓敏電阻 （MOV） 吸收來(lái)自機(jī)械、電器甚至閃電的交流線路感應(yīng)電壓瞬變。尋找具有以下功能的 MOV：

能夠吸收高達(dá) 10 kA 的瞬態(tài)電流

吸收至少 400 J 瞬態(tài)能量的能力

符合IEC 61051-1和61051-2，電子設(shè)備中使用的壓敏電阻。

交流/直流輔助電源

AC/DC 輔助電源為 MCU、觸摸屏顯示器和無(wú)線接口供電?？紤]敏感半導(dǎo)體的二次熔斷和瞬態(tài)保護(hù)。在此電路中使用快速熔斷直流保險(xiǎn)絲。此外，考慮一個(gè)瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）二極管，它可以吸收高達(dá)400 W的脈沖功率。TVS二極管可以在不到0.1 ps的時(shí)間內(nèi)箝位瞬態(tài)，以避免損壞敏感的半導(dǎo)體。為了節(jié)省印刷電路板空間，請(qǐng)尋找表面貼裝TVS二極管。

觸摸屏顯示

用戶直接與顯示器接觸，設(shè)置熱水器的控制并獲取熱水器的狀態(tài)。因此，顯示器容易受到人體接觸的ESD。使用 TVS 二極管保護(hù)觸摸屏顯示電路。TVS 二極管型號(hào)符合 IEC 61000-4-2 靜電放電抗擾度測(cè)試，并為空中撞擊或直接接觸提供高達(dá) 30 kV 的 ESD 保護(hù)。

無(wú)線接口

無(wú)線接口從 PC、PLC、平板電腦和智能手機(jī)傳輸數(shù)據(jù)并接收控制信息。保護(hù)數(shù)據(jù)線免受ESD的影響可避免數(shù)據(jù)傳輸和接收損壞?？紤]圖3所示的雙向TVS二極管陣列。該 TVS 二極管的版本可以安全地吸收 ±12 kV 的接觸式 ESD 放電和 40 A 的快速瞬變。這些二極管通過(guò)向電路增加小于0.1 pf的電容來(lái)最小化信號(hào)失真。

或者，考慮使用聚合物ESD來(lái)保護(hù)數(shù)據(jù)線。這些元件具有低電容，通常低于0.25 pF。漏電流低于 10 nA，以最大限度地降低無(wú)線接口電路中的功耗

最大限度地提高熱水器的效率和使用壽命

電熱水器通常使用TRIAC來(lái)控制加熱元件。TRIAC只需要一個(gè)低功耗驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行控制，它消除了在切換加熱器電源時(shí)的觸點(diǎn)反彈，并且沒(méi)有可聞的噪音。TRIAC具有高可靠性，其版本提供高達(dá)250 A的浪涌容量和高達(dá)100 V的電壓容量。TRIAC提供的固態(tài)開(kāi)關(guān)可提供可靠的長(zhǎng)壽命操作。

無(wú)罐熱水器通常有一個(gè)加熱元件，但較大的系統(tǒng)可以有兩個(gè)加熱元件。一個(gè)元件位于水箱頂部，第二個(gè)加熱元件位于水箱底部。對(duì)于快速加熱，無(wú)罐系統(tǒng)通常使用 40 A 或 90 A TRIAC 組件，其組件比具有類似接觸電流額定值的機(jī)電繼電器小得多。儲(chǔ)罐系統(tǒng)通常使用較低功率的 16 A 或 25 A TRIAC。

控制水溫，防止熱水器過(guò)熱

使用熱敏電阻溫度探頭監(jiān)測(cè)進(jìn)水口和出水口的水溫。熱敏電阻提供比其他溫度傳感器類型更精確的溫度監(jiān)控。熱敏電阻探頭的快速熱響應(yīng)有助于提高熱水器的效率。此外，利用熱敏電阻的小尺寸。

包括用于電路保護(hù)、高效控制和傳感的組件的好處

保護(hù)熱水器并提高其可靠性不需要很多組件。通過(guò)將電路保護(hù)、高效控制和傳感這三種技術(shù)納入項(xiàng)目計(jì)劃，節(jié)省開(kāi)發(fā)和一致性測(cè)試時(shí)間。不強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)的這些方面可能會(huì)導(dǎo)致重新設(shè)計(jì)、引入延遲和成本超支。

幸運(yùn)的是，組件制造商的應(yīng)用工程師可以通過(guò)以下方式幫助節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間：

經(jīng)濟(jì)高效的組件選擇

適用標(biāo)準(zhǔn)指南

預(yù)一致性測(cè)試，以幫助在熱水器提交給標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行合規(guī)性測(cè)試之前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

使用推薦的組件進(jìn)行保護(hù)、控制和傳感將確保高可靠性熱水器具有低保修期內(nèi)維修成本和高客戶滿意度。

審核編輯：郭婷