设计安全的智能小家电

[导读]消费者享受着当今新型智能家电带来的好处，其中包括更智能的便利功能和基于物联网的界面，使他们能够控制家庭环境。这些产品包括空气炸锅和机器人吸尘器，可节省消费者做各种家务和准备食物和饮料的时间。

消费者享受着当今新型智能家电带来的好处，其中包括更智能的便利功能和基于物联网的界面，使他们能够控制家庭环境。这些产品包括空气炸锅和机器人吸尘器，可节省消费者做各种家务和准备食物和饮料的时间。

设计师必须将智能技术融入到新家电设计中，以满足消费者的需求。他们还必须提高家电的节能效果，让电池供电的产品在停机和充电之间的间隔时间更长。

电器中的电子元件越多，设计师面临的挑战就越大，他们需要确保产品坚固可靠，能够抵御过压瞬变、过流情况和静电放电 (ESD) 等电气危害。本文向设计师介绍了电路保护方案和一些保护电路免受电气危害的独特元件。本文还推荐了降低功耗以节省能源的元件。所有这些元件将使设计师能够开发出安全、高效、坚固且智能的小型电器。

推荐组件

展示了一些智能小型电器的例子，以及用于电路保护的组件，以最大限度地提高效率并检测机器的状态。这些组件保护电路免受电气危害，例如过流情况和过压瞬变。此外，特定组件将检测过热情况和电器中位置不当的部件。一些组件还将有助于提高电器的效率。

典型小家电的框图

将家用电器示例分解为单独的电路块。这些电路包括交流/直流电源转换、微处理器控制、电机驱动、加热、手动控制和显示器。图中的表格突出显示了需要电路保护、高效运行和传感的电路块的推荐组件类型。

保护电路免受电气危害

交流输入初级保护电路的保护元件

交流线路供电产品必须应对交流线路的电压瞬变和高电流容量，北美 120 VAC 线路的电流容量通常为 15 A。交流输入主保护电路必须保护下游电路块免受过流和电压瞬变的影响。

延时保险丝用于保护电路免受过电流(例如短路)的影响。由于产品的浪涌电流，延时保险丝将避免意外保险丝熔断。确保所选保险丝的额定电压超过全球单相电源线电路的电压。此外，还要确保保险丝的断路额定值超过全球典型单相交流电源线的额定电流。为了使产品能够销往世界各地，请考虑使用符合 IEC 60127-2 标准的保险丝。

交流电源线易受过压瞬变的影响，这种瞬变可能会击中连接到交流线路的电器等产品。瞬变包括电源线上感应的雷电。大型电机的开启和关闭也会引起瞬变。在保险丝后与交流线路并联使用金属氧化物压敏电阻 (MOV) 可以保护下游电路。选择具有以下特征的 MOV：

· 单个瞬态脉冲的峰值电流吸收至少为 4.5 kA

· 额定工作温度高达 105°C

· 能够承受 6kV/3kVA 浪涌，符合 IEC 62368-1 附录 G 的规定

保护交流/直流电源

由于响应时间不理想，部分瞬态电流会通过 MOV，从而损坏下游组件。此外，ESD 还会损坏集成电路 (IC)。使用瞬态电压抑制器 (TVS) 二极管保护交流/直流电源免受过压影响。TVS 二极管的主要特性包括：

· 高达 600 W 的脉冲功率吸收

· 符合 IEC 61000-4-2 标准的 30kV 静电放电耐受电压

· 响应时间快速，低于 1 ps

· 双向和单向模型

· 节省空间的表面贴装封装

保护电机控制电路

电器电机需要保护，以免因短路、机械过载和过热而损坏。考虑使用聚合物正温度系数 (PPTC) 设备，这是一种用于短路保护的可复位保险丝。确保 PPTC 保险丝的额定工作电压超过电路的最大电压。寻找电流容量至少为 2 A 且快速跳闸时间在 30 秒以下的型号。优质的 PPTC 保险丝将符合 EN 60730-1 标准。

为了防止电机因机械过载和过热而损坏，请使用电流检测电阻器监控电机电流。使用电阻值尽可能低的电流检测电阻器，以最大限度地减少电机控制电路中的功率损耗。检测电阻器的阻值范围为 1 mΩ 至 56 mΩ。为实现精确的电流测量，容差可以达到 1%，并且检测电阻器可以采用表面贴装封装，从而节省 PC 板空间。

加热组件保护

为了避免加热液体的电器损坏，应安装一个传感器来监测液体温度。这可确保电器不会暴露在有害的高温下。考虑使用可安装在不锈钢探头外壳中的 NTC 热敏电阻或液体温度探头的定制解决方案。

显示模块：背光LED驱动器和LED/LCD显示屏

显示模块与微控制器 (MCU) 进行通信并接收数据。为了在 MCU 和显示电路之间保持无错误数据，请使用 TVS 二极管保护 IC 免受 ESD 的影响。TVS 二极管可以具有较低的钳位电压，以确保电路中 IC 的安全。与推荐用于 AC/DC 电源的 TVS 二极管一样，这些型号可以吸收高达 30 kV 的 ESD 冲击。在显示电路中，200 W 峰值脉冲功率吸收能力和小于 1 ns 的响应时间就足够了。从单向或双向版本中进行选择，并利用表面贴装封装。

考虑使用 TVS 二极管阵列替代单个 TVS 二极管，它可以保护两条数据线并减少元件数量。显示了带有齐纳二极管的双线 TVS 二极管阵列，用于 ESD 保护。该 TVS 二极管阵列为每个 I/O 信号线提供约 0.2 pF 的低电容。该阵列的功耗极小，漏电流为 10 nA。

机械子系统：位置/水平检测和键盘

确保液位处于适当水平，并且盖子或腔室正确关闭，以确保设备安全运行。一种液位和接近度检测解决方案是隧道磁阻 (TMR) 传感器。显示了带有有源功率驱动器的 TMR 传感器。TMR 传感器具有出色的灵敏度、17 G 和超低功耗的优势，在 1.8 至 5.5 V 的电源电压下仅消耗 1.5 µA。TMR 传感器的使用寿命极长，可达 200 亿次。该传感器还具有 IP67 的环境等级，可防止湿气和灰尘侵入。

作为位置传感的替代方案，可以考虑使用簧片开关。簧片开关不消耗任何电能。其版本采用密封设计，可在 200 V 或 0.5 A 下切换高达 10 W。第三个选项是快动开关，具体取决于小型电器的类型。快动开关是三种传感器类型中最简单的一种，用于实现位置检测。这种类型的机械开关在 125 VAC 或 24 VDC 下可具有 3 A 的触点额定值。使用寿命范围为 3 A 下的 10,000 次循环至 0.1 A 下的 300,000 次循环。

这些保护和传感元件有助于确保电器设计坚固可靠。此外，推荐的元件不会干扰使产品正常运行的主要电路。

设计设备效率

交流/直流电源

MOSFET可使开关电源以高开关频率运行，从而最大程度地提高 AC/DC 电源的效率。为了使电路中的功率损耗最小，请选择具有以下特性的 MOSFET：

· 低 R DS(on)，低于 450 mΩ

· 低栅极电荷，数十纳库仑

· dV/dt 值在 50 V/ns 范围内的快速转换率

在直流整流阶段，考虑使用肖特基二极管。肖特基二极管封装示例包含全波整流器的两个支路。有效的肖特基二极管将具有低于 0.5 V 的低正向压降、约 84 pF 的低结电容和低于 14 mA 的低漏电流。

电机控制电路

栅极驱动器 IC 可高效驱动 MOSFET 或 IGBT。栅极驱动器具有较低的传播延迟以及快速的上升和下降时间，以促进功率晶体管的高频操作。版本可以是单驱动器或双驱动器，并且至少提供和吸收 2 A 的电流。

交流开关电路

在该电路中，交流三端双向可控硅可以控制交流加热器。该耐热元件可在结温达到 150°C 的情况下运行。这些元件可承载 16 A 电流来为加热器供电。