本文為設計人員提供了用於電源插座設計的保護和低功耗控制元件的建議，它們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。
無線通訊、網際網路和電子電路的進步使智慧裝置的發展成為可能。透過使用物聯網（IoT）技術，非智慧裝置正在演變為智慧裝置。提供電源控制、安全、環境控制和娛樂功能的智慧裝置在家庭中變得越來越普遍。非智慧電源控制裝置現在具有智慧版本的示例包括調光器、電源插座和接地故障電路斷路器（GFCI）/電弧故障電路斷路器（AFCI）。
雖然非智慧裝置只能手動控制或始終執行，但智慧裝置具有允許自動控制和狀態反饋的電子裝置和韌體。智慧裝置是物聯網領域的組成部分，它響應來自個人計算機、平板電腦、智慧手機或虛擬助理的控制。這些產品使用無線通訊協議（如蜂窩、Wi-Fi或藍芽）訪問智慧裝置。
安全性和可靠性設計
設計人員面臨的挑戰是確保這些新的智慧裝置是安全和可靠的，這樣消費者就可以擁有高可靠性，而不會有服務中斷的風險。因此，這些裝置需要過電壓保護和過電流保護來維持執行，即使在遭受各種環境危害（如雷電浪湧、感應電湧、靜電放電（ESD）和電快速瞬變）的情況下也是如此。本文為設計人員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。
保護智慧調光器和電源插座
調光器和電源插座連線到交流電源線上，並受到交流電源線上可能出現的過電流和瞬態過電壓條件的影響。諸如雷擊、負載浪湧引起的電源線電壓變化、電機開啟或關閉引起的感應瞬變以及靜電放電（ESD）等瞬變會損壞控制智慧調光器和智慧電源插座的電子電路。
圖1顯示了推薦用於保護電子電路和有效控制調光器和智慧電源插座的保護和控制元件。
圖1。推薦用於智慧調光器和智慧電源插座的保護和控制元件。
智慧調光器的保護和控制元件
調光器是控制家中燈具照明的常用裝置。智慧調光器可以對燈具或一組燈進行精確的遠端控制或定時控制。圖2顯示了電子調光器開關的框圖，並顯示了使用推薦保護和控制元件的具體電路模組。
圖2。智慧調光器的方框圖。推薦用於電路模組的安全和控制元件選項顯示在方框圖旁邊的列表中。
交流輸入保護電路
交流輸入保護電路模組直接與交流電源線連線，需要過電流和瞬態電壓保護。設計人員應對模組進行熔斷，以防止過電流導致對下游電路模組的損壞。我們建議使用慢熔熔斷器，避免由於浪湧電流（例如來自開關電源）而造成不必要的停機。熔斷器的額定電壓應超過額定交流線路電壓。
熔斷器的一個關鍵引數是中斷額定值。請確保所選的熔斷器在大的過載時不會融化或蒸發。估計電源線的最大電流輸出，並選擇一箇中斷額定值超過您估計的潛在可用電流的熔斷器。熔斷器的中斷額定值可以是10到100千安培（kA）。
為了防止交流輸入保護電路在交流線路上發生瞬變，我們建議使用金屬氧化物壓敏電阻（MOV）。MOV能承受瞬態產生的最大電壓，並能吸收由瞬態電壓引起的電流浪湧。我們建議您考慮MOV，它能吸收10000安培的電流脈衝和400焦耳的瞬態能量。良好的設計實踐是將MOV放置在儘可能靠近印刷電路板輸入的位置，以防止瞬變傳播到電路中。
在交流輸入保護電路的次級側，使用瞬態電壓抑制二極體（TVS）保護下游的次級電路。您可以選擇單向或雙向二極體，具體取決於電路遭受正向和負向瞬變的可能性。 TVS二極體對瞬態的響應非常快，不到1 ps。它們可以吸收1500 W的峰值脈衝功率，並具有低鉗位電壓，以保護低壓電子電路。
開關電路
開關電路控制到燈具的輸出。最大限度地降低功耗可最大限度地提高電路效率，並最大限度地減少調光器中的熱量積聚。我們建議使用具有低保持電流的三端雙向可控矽（閘流體）。
雙向閘流體的保持電流低於10毫安。它們還可以在結溫超過100℃時安全執行。為了進一步提高效率，可以考慮使用MOSFET來控制雙向閘流體的功率。選擇具有低於0。5Ω的低RDS（on）電阻和快速開關時間的功率MOSFET，以減少器件轉換期間的功率損耗和MOSFET處於導通狀態時的功耗。
您可以使用單晶片柵極驅動器簡化驅動MOSFET的管理。柵極驅動器晶片可以包含兩個驅動放大器，以控制高階和低端功率MOSFET，並最大限度地提高其開關速度。選擇具有足夠載流量的柵極驅動器來驅動MOSFET。最後，使用MOV保護此電路不受開關電路的線路電壓浪湧的影響，該MOV可以承受和交流輸入保護電路建議的MOV類似的額定電壓。
無線通訊電路
無線通訊電路使用無線LAN（Wi-Fi）協議與個人計算機，平板電腦或智慧手機進行通訊，用來對調光器進行遠端控制。該電路與外部環境連線，並受到ESD的影響，這主要是由智慧調光器的使用者引起的。
我們建議使用雙向TVS二極體陣列（如圖3所示）或聚合物ESD保護器件來保護無線通訊電路。
圖3。具有兩個背對背二極體的雙向TVS二極體陣列
由於電容小於1 pF，這兩種器件都可以保護I / O埠，而對電路效能的影響最小。而且，兩種元件都採用表面貼裝封裝，以節省有限的印刷電路板空間。此外，它們汲取的漏電流低於1 A，從而降低了電路的功率負載。最重要的是，根據IEC 61000-4-2 ESD標準，任何一種器件都將承受±12 kV ESD衝擊。
本地開關
本地開關允許使用者手動控制調光器的輸出功率。像無線通訊電路一樣，該電路與外部環境連線，並且很容易受到ESD衝擊。該電路需要與無線通訊電路相同的保護元件。同樣，選擇二極體陣列或聚合物ESD保護器件。
智慧插座的保護和控制元件
圖4說明了智慧插座中的電路模組以及提供保護和有效控制的推薦元件。與智慧調光開關一樣，智慧插座也有交流輸入模組、交流-直流轉換電源模組、無線通訊電路和手動開關控制電路。
圖4。智慧插座方框圖顯示了需要保護和控制元件的位置。表中列出了推薦的元件選項。
交流輸入保護和整流
交流輸入和保護電路連線到交流電源線，像調光開關的交流輸入保護模組一樣，會經受大的過電流浪湧和高過電壓瞬變，這些瞬變會在電源線上感應和傳播。因此，智慧插座電路的交流輸入需要一個熔斷器，一個MOV和一個TVS二極體，其特性與為調光器輸入電路推薦的特性相同。
電源
考慮到智慧插座的空間和效率，建議使用開關電源來產生控制電路所需的直流電壓。我們建議透過高頻設計來最大程度地提高效率。考慮在電路中使用肖特基整流二極體。這些器件具有通常低於0。5V的低正向壓降，並且可以在較高的開關頻率下工作，從而使小型、節省空間的設計能夠以高效率執行。
無線通訊與本地On/Off開關
與智慧調光器開關一樣，無線通訊和本地on/off開關電路也暴露在外部環境中，並容易受到ESD衝擊。用TVS二極體陣列或聚合物ESD抑制器保護這些電路免受ESD的影響。
保護GFCI，AFCI插座和USB電源插座
自1970年代以來，GFCI插座一直用於保護個人免受潮溼環境的影響。《國家電氣規程》和《加拿大電氣規程》分別從2014年和2015年起要求在新建住宅設施和住宅時使用AFCI。當輸在帶電線路上的負載電流不返回中性線時，GFCI就會進行感應。
如果電流不平衡超過預定的跳閘水平，GFCI會切斷插座的電源，以防止觸電危險。AFCI檢測到電弧狀況，並切斷電源插座以防止起火。圖5顯示了推薦用於GFCI、AFCI和帶USB充電埠的電源插座的保護和控制元件。
圖5。GFCI、AFCI和USB充電插座的推薦保護和控制元件
圖6。GFCI或AFCI的方框圖。相鄰的表列出了推薦的保護和控制元件。
觸發電路
每個器件都需要一個電路來控制繼電器，該電路可能會中斷插座電源。那就是觸發電路。我們建議您考慮使用SCR來控制機電繼電器。藉助SCR，您可以設計出既高效又緊湊的簡單控制電路。 SCR是一款可靠耐用的元件，可以承受高達100 A的相當大的電流浪湧，並可以支援600 V以上的電壓。如果繼電器線圈的功耗很低，則可以使用表面貼裝型元件。
USB插座
USB插座提供了使用USB電纜為行動式裝置供電或重新充電的便利性。由於插座提供直流充電電流，因此使用者不需要USB電源介面卡模組。 USB插座需要與與交流電源線介面的其它智慧裝置相同的熔斷和瞬態電壓保護。圖7顯示了具有USB充電埠的USB電源插座的方框圖。
圖7。USB插座的方框圖。推薦的保護和控制元件顯示在相鄰列表中。
USB插座中的開關電路為插座提供直流輸出。透過使用低正向電壓，肖特基二極體和高頻開關設計，您可以使該電路的效率最大化。此外，可以考慮使用功率MOSFET和整合的柵極驅動器來進一步提高直流功率控制電路的效率。
符合安全標準
由於每個智慧插座都與交流電源線相連，因此它們必須符合美國保險商實驗室（UL）和國際電工委員會（IEC）頒佈的適用的國家和國際安全標準。適用於各種智慧插座的標準如圖8和表1所示。
圖8。適用於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及合規性一覽表
我們建議將這些標準的要求包括在產品定義中，以便在設計專案期間經濟高效地設計保護元件。選擇交流電源線路徑中的UL認可的保護元件。基於標準要求的設計和測試以及使用UL認可的元件的結合，既減少了認證時間，又避免了認證失敗。
保護和控制元件的價值
物聯網技術的進步被融入到了智慧插座等新產品中，使家更安全、更環保、更方便。為了確保成功採用這些智慧產品，它們必須魯棒，可靠和安全。設計人員可以透過確保其設計具有過電流保護，過電壓保護和低功耗控制元件來確保產品魯棒和可靠。
透過利用這些元件製造商（例如Littelfuse）的應用專業知識，設計人員還可以節省大量時間和精力，Littelfuse可以幫助設計人員提供有關電路配置，安全標準知識和元件選擇的建議。您的努力將使產品在可靠性，安全性和收入增長方面贏得聲譽。
更多資源
有關Littelfuse電路保護解決方案的更多資訊，請參考以下文件：
熔斷學選擇指南
電路保護產品選擇指南
靜電放電（ESD）抑制設計指南
或聯絡Littelfuse獲得應用專家的設計幫助。