智能家居控制電路弱電保護(hù)電路設(shè)計(jì)

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1方案設(shè)計(jì)及器件選擇

針對(duì)弱電保護(hù)，常常涉及到過(guò)流和過(guò)壓的保護(hù)，因而需要針對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題進(jìn)行設(shè)計(jì)。其主要目的是在對(duì)應(yīng)的電源線(xiàn)或信號(hào)線(xiàn)進(jìn)行電壓或電流保護(hù)。弱電保護(hù)設(shè)計(jì)方案分別為5V電源線(xiàn)保護(hù)電路、12V電源線(xiàn)保護(hù)電路、24V電源線(xiàn)保護(hù)電路和36V電源線(xiàn)保護(hù)電路。針對(duì)于弱電保護(hù)方案的類(lèi)同性，在此針對(duì)一個(gè)5V弱電保護(hù)電路進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。針對(duì)這個(gè)方案，常見(jiàn)弱電保護(hù)電路主要是保護(hù)后端元器件，保護(hù)電路主要的元器件是TVS管以及自恢復(fù)保險(xiǎn)絲(或PTC熱敏電阻)。在抗交流干擾時(shí)，常見(jiàn)選用自恢復(fù)保險(xiǎn)絲，以及考慮到不同控制板電路中電流的需求性，因而選用的自恢復(fù)保險(xiǎn)絲一定切合實(shí)際需要，針對(duì)后端電路具體的元器件以及外圍設(shè)備，其保險(xiǎn)絲的熔斷電流以及過(guò)壓值要匹配，此外，要考慮電路中允許的最大工作電流。這里主要講述TVS的選擇以及計(jì)算。針對(duì)TVS管，其具體選型步驟如下:

(1)確定待保護(hù)的電源或信號(hào)的直流電壓或持續(xù)工作電壓。如果是交流電，應(yīng)該算出最大值，即有效值×1．414。

(2)TVS的反向變位電壓即工作電壓(VRWM)———選擇TVS的VRWM等于或大于步驟(1)所規(guī)定的操作電壓。

(3)最大峰值脈沖功率:確定電路中的干擾脈沖情況，根據(jù)干擾脈沖的波形、脈沖持續(xù)時(shí)間，確定能夠有效抑制該干擾的TVS峰值脈沖功率。

(4)所選的TVS的最大箝位電壓(VC)應(yīng)低于被保護(hù)電路所允許的最大承受電壓。

(5)單極性還是雙向性:雙向TVS用于交流電或來(lái)自正負(fù)雙向脈沖的場(chǎng)合。

(6)如果知道比較準(zhǔn)確的浪涌電流IPP，那么可以利用VC來(lái)確定其功率，如果無(wú)法確定功率的大概范圍，一般來(lái)說(shuō)，選擇功率大一些較好。在試驗(yàn)方案中筆者選擇的是5V電源線(xiàn)或信號(hào)線(xiàn)保護(hù)電路。因此可以設(shè)定TVS管的反向擊穿電壓為5V，若是考慮在直流電路中，其選擇的TVS管可以使單向的，但若是進(jìn)行交流干擾測(cè)試，必須是雙向的TVS管。綜合電路考慮，必須針對(duì)反向工作電壓，具體計(jì)算擊穿電壓以及最大箝位電壓。在5V保護(hù)電路方案中設(shè)定輸入電壓5V，即輸入端工作電壓是設(shè)定為5V，得出:反向工作電壓VWM=5V;擊穿電壓VBR=5V/0．8=6．25V;VC=1．3×6．25V=8．125V。根據(jù)這些參數(shù)，查表得，SMBJ5．0CA(雙向TVS管)符合條件。在本次課題研究中，對(duì)于交流電是干擾信號(hào)，因此對(duì)于異常輸入的交流電壓信號(hào)應(yīng)該起到抑制作用，進(jìn)而保護(hù)后續(xù)電路。其中選用的熱敏電阻在交流電信號(hào)進(jìn)入電路中，通過(guò)熱敏電阻發(fā)熱形成高阻，根據(jù)分壓原理，起到分壓作用，結(jié)合TVS管吸收過(guò)壓的能量，進(jìn)而使保護(hù)電路輸出端的后續(xù)電路工作電壓在保護(hù)電壓值以下。

25V硬件保護(hù)電路設(shè)計(jì)

考慮到弱電保護(hù)電路四個(gè)方案的類(lèi)同性，這里針對(duì)圖1方案進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，自恢復(fù)保險(xiǎn)絲在過(guò)流的情況下，其溫度升高，則相應(yīng)的阻值呈指數(shù)形式增長(zhǎng)。因而依據(jù)分壓原理，在過(guò)壓情況下，其輸出端斷路。從而有利于保護(hù)電路。圖中V－OUT端口主要是IC的輸出引腳。TVS的作用原理是當(dāng)管子兩端經(jīng)受瞬態(tài)能量沖擊時(shí)能極快地將其兩端的阻抗降低，通過(guò)將能量吸收掉從而把其兩端間的電壓鉗制在其標(biāo)稱(chēng)值上，保護(hù)后端元件。所選用的SMBJ5．0CA箝位電壓為9．2V，其工作電壓為5V，符合上述TVS選擇。因此可以保護(hù)后續(xù)電路或芯片避免受到雷擊和浪涌的損害。接口能耐受市電或者工業(yè)電，直接接入可以保證數(shù)分鐘通電不損壞。以本電路為例，以PTC+TVS管構(gòu)成回路，當(dāng)有大的交流電壓灌入時(shí)，PTC開(kāi)始發(fā)熱，進(jìn)而形成高阻，保證后續(xù)電路，對(duì)地的TVS能起到一定的保護(hù)作用。電路中R1，R2，C1，C2是可選的安裝芯片(可以不安裝)，用于提高電路的EMI性能。

3測(cè)試及調(diào)試結(jié)果

在進(jìn)行弱電電路保護(hù)電路測(cè)試時(shí)，選用的是PTC熱敏電阻。測(cè)試選用的TVS管是SMBJ6．5CA。在直流電路中，單向TVS管也能起到保護(hù)作用。但是在進(jìn)行直流過(guò)流及過(guò)壓測(cè)試時(shí)，其熱敏電阻基本上不起作用，只是相當(dāng)于一個(gè)阻值很小的電阻，因而導(dǎo)致電路中電流過(guò)大，但是PTC相當(dāng)于一個(gè)限流管，因此對(duì)于超過(guò)其最大耐受電流時(shí)，其溫升很快，因而其阻值變得很大，從而達(dá)到限流的目的。TVS管吸收過(guò)大的能量時(shí)，這樣的情況長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)，即會(huì)導(dǎo)致TVS管的溫度非常高，導(dǎo)致焊接TVS管的錫融化，進(jìn)而導(dǎo)致TVS管脫落。但是在交流過(guò)壓測(cè)試中，熱敏電阻相當(dāng)于一個(gè)指數(shù)形式變化的變阻器，因而在過(guò)壓測(cè)試時(shí)，熱敏電阻起到非常巨大的作用。一方面相當(dāng)于大電阻，可以起到限流分壓作用，另一方面當(dāng)交流電壓值超過(guò)熱敏電阻的額定值時(shí)，熱敏電阻會(huì)形成斷路。從而與TVS管起到保護(hù)電路作用。

3．1試驗(yàn)中直流過(guò)壓測(cè)試的實(shí)驗(yàn)

針對(duì)電路中使用SMAJ6．5CA測(cè)試，該芯片的理論箝位電壓11．2V，實(shí)際測(cè)試為8．28V。

3．2試驗(yàn)中交流干擾測(cè)試的實(shí)驗(yàn)

弱電抗干擾實(shí)驗(yàn)是在具體的直流輸出電源中引入一個(gè)干擾的交流信號(hào)。在交流干擾測(cè)試試驗(yàn)中，電路中的TVS管應(yīng)該選用雙向的TVS管，使用的儀器主要有脈沖群抗干擾發(fā)生器、直流穩(wěn)壓源以及萬(wàn)用表，試驗(yàn)中對(duì)于直流電壓輸入分3次測(cè)試，每次測(cè)試2min。直流電壓輸入值為2．3，3．3，5．0V，在接好抗干擾實(shí)驗(yàn)裝置上電后，用萬(wàn)用表測(cè)試其輸出端電壓值。施加干擾源后，其輸出電壓是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的范圍。對(duì)于輸入2．3V直流電壓，在引入250V交流電壓信號(hào)干擾后，其輸出主要在2．18～2．31V范圍內(nèi)變化;輸入3．3V直流電壓后，在干擾源存在的條件下測(cè)試，其輸出主要在2．98～3．28V范圍內(nèi)變化;輸入5V直流電壓后，在干擾源影響的條件下測(cè)試，其輸出主要在4．87～5．12V范圍內(nèi)變化。

3．3弱電保護(hù)電路具體應(yīng)用

在智能家居產(chǎn)品中常見(jiàn)有網(wǎng)關(guān)、可視對(duì)講，以及顯示終端等視頻和音頻于一體的智能設(shè)備。尤其這些設(shè)備中液晶屏部分和功放電路均為弱電控制。顯示終端通過(guò)適當(dāng)?shù)臄U(kuò)展，可以成為小型智能家居系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)，提供對(duì)系統(tǒng)設(shè)備和情景模式的控制功能。在具體顯示終端設(shè)備中，供電電壓有220V和12V兩種供電方式。很多設(shè)計(jì)中才有跳線(xiàn)來(lái)解決不同電壓供電問(wèn)題。在顯示終端中，下層電路板為電源板，220VAC交流電壓引入，12V輸出，上層電路板為高頻信號(hào)板和顯示板，12V輸入，它們之間通過(guò)接口引入工作電壓。但是在實(shí)際設(shè)計(jì)中，尤其是住宅區(qū)，220VAC供電最為常見(jiàn)，為了避免交流信號(hào)的竄入，也為了提高系統(tǒng)電源的安全性，對(duì)于該弱電保護(hù)電路很有必要。

4結(jié)論

通過(guò)直流過(guò)壓測(cè)試以及交流干擾測(cè)試后，該設(shè)計(jì)電路具備電路保護(hù)作用。所不同的是在直流過(guò)壓測(cè)試中PTC需慎重選擇，由于電路中電流過(guò)大，宜根據(jù)實(shí)際的電流需求大小選用合適的自恢復(fù)保險(xiǎn)絲。雷擊和浪涌測(cè)試中，尤其需要關(guān)注尖峰脈沖頻率。一般來(lái)說(shuō)，弱電保護(hù)電路對(duì)于極大功率的尖峰脈沖干擾，起保護(hù)作用時(shí)間很短。時(shí)間長(zhǎng)易導(dǎo)致電路軟損壞。在智能家居中弱電控制器以及通信模塊，液晶屏模塊，該弱電保護(hù)電路具有十分明顯的保護(hù)效果，且產(chǎn)生了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

作者：王成 陳文杰 劉耀強(qiáng) 陳小林 潘小釵 單位：浙江達(dá)峰科技有限公司