消費(fèi)者享受著當(dāng)今新型智能家電帶來的好處，其中包括更智能的便利功能和基于物聯(lián)網(wǎng)的界面，使他們能夠控制家庭環(huán)境。這些產(chǎn)品包括空氣炸鍋和機(jī)器人吸塵器，可節(jié)省消費(fèi)者做各種家務(wù)和準(zhǔn)備食物和飲料的時(shí)間。

設(shè)計(jì)師必須將智能技術(shù)融入到新家電設(shè)計(jì)中，以滿足消費(fèi)者的需求。他們還必須提高家電的節(jié)能效果，讓電池供電的產(chǎn)品在停機(jī)和充電之間的間隔時(shí)間更長。

電器中的電子元件越多，設(shè)計(jì)師面臨的挑戰(zhàn)就越大，他們需要確保產(chǎn)品堅(jiān)固可靠，能夠抵御過壓瞬變、過流情況和靜電放電 (ESD) 等電氣危害。本文向設(shè)計(jì)師介紹了電路保護(hù)方案和一些保護(hù)電路免受電氣危害的獨(dú)特元件。本文還推薦了降低功耗以節(jié)省能源的元件。所有這些元件將使設(shè)計(jì)師能夠開發(fā)出安全、高效、堅(jiān)固且智能的小型電器。

推薦組件

展示了一些智能小型電器的例子，以及用于電路保護(hù)的組件，以最大限度地提高效率并檢測機(jī)器的狀態(tài)。這些組件保護(hù)電路免受電氣危害，例如過流情況和過壓瞬變。此外，特定組件將檢測過熱情況和電器中位置不當(dāng)?shù)牟考?。一些組件還將有助于提高電器的效率。

典型小家電的框圖

將家用電器示例分解為單獨(dú)的電路塊。這些電路包括交流/直流電源轉(zhuǎn)換、微處理器控制、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、加熱、手動(dòng)控制和顯示器。圖中的表格突出顯示了需要電路保護(hù)、高效運(yùn)行和傳感的電路塊的推薦組件類型。

保護(hù)電路免受電氣危害

交流輸入初級(jí)保護(hù)電路的保護(hù)元件

交流線路供電產(chǎn)品必須應(yīng)對(duì)交流線路的電壓瞬變和高電流容量，北美 120 VAC 線路的電流容量通常為 15 A。交流輸入主保護(hù)電路必須保護(hù)下游電路塊免受過流和電壓瞬變的影響。

延時(shí)保險(xiǎn)絲用于保護(hù)電路免受過電流(例如短路)的影響。由于產(chǎn)品的浪涌電流，延時(shí)保險(xiǎn)絲將避免意外保險(xiǎn)絲熔斷。確保所選保險(xiǎn)絲的額定電壓超過全球單相電源線電路的電壓。此外，還要確保保險(xiǎn)絲的斷路額定值超過全球典型單相交流電源線的額定電流。為了使產(chǎn)品能夠銷往世界各地，請(qǐng)考慮使用符合 IEC 60127-2 標(biāo)準(zhǔn)的保險(xiǎn)絲。

交流電源線易受過壓瞬變的影響，這種瞬變可能會(huì)擊中連接到交流線路的電器等產(chǎn)品。瞬變包括電源線上感應(yīng)的雷電。大型電機(jī)的開啟和關(guān)閉也會(huì)引起瞬變。在保險(xiǎn)絲后與交流線路并聯(lián)使用金屬氧化物壓敏電阻 (MOV) 可以保護(hù)下游電路。選擇具有以下特征的 MOV：

· 單個(gè)瞬態(tài)脈沖的峰值電流吸收至少為 4.5 kA

· 額定工作溫度高達(dá) 105°C

· 能夠承受 6kV/3kVA 浪涌，符合 IEC 62368-1 附錄 G 的規(guī)定

保護(hù)交流/直流電源

由于響應(yīng)時(shí)間不理想，部分瞬態(tài)電流會(huì)通過 MOV，從而損壞下游組件。此外，ESD 還會(huì)損壞集成電路 (IC)。使用瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 二極管保護(hù)交流/直流電源免受過壓影響。TVS 二極管的主要特性包括：

· 高達(dá) 600 W 的脈沖功率吸收

· 符合 IEC 61000-4-2 標(biāo)準(zhǔn)的 30kV 靜電放電耐受電壓

· 響應(yīng)時(shí)間快速，低于 1 ps

· 雙向和單向模型

· 節(jié)省空間的表面貼裝封裝

保護(hù)電機(jī)控制電路

電器電機(jī)需要保護(hù)，以免因短路、機(jī)械過載和過熱而損壞?？紤]使用聚合物正溫度系數(shù) (PPTC) 設(shè)備，這是一種用于短路保護(hù)的可復(fù)位保險(xiǎn)絲。確保 PPTC 保險(xiǎn)絲的額定工作電壓超過電路的最大電壓。尋找電流容量至少為 2 A 且快速跳閘時(shí)間在 30 秒以下的型號(hào)。優(yōu)質(zhì)的 PPTC 保險(xiǎn)絲將符合 EN 60730-1 標(biāo)準(zhǔn)。

為了防止電機(jī)因機(jī)械過載和過熱而損壞，請(qǐng)使用電流檢測電阻器監(jiān)控電機(jī)電流。使用電阻值盡可能低的電流檢測電阻器，以最大限度地減少電機(jī)控制電路中的功率損耗。檢測電阻器的阻值范圍為 1 mΩ 至 56 mΩ。為實(shí)現(xiàn)精確的電流測量，容差可以達(dá)到 1%，并且檢測電阻器可以采用表面貼裝封裝，從而節(jié)省 PC 板空間。

加熱組件保護(hù)

為了避免加熱液體的電器損壞，應(yīng)安裝一個(gè)傳感器來監(jiān)測液體溫度。這可確保電器不會(huì)暴露在有害的高溫下?？紤]使用可安裝在不銹鋼探頭外殼中的 NTC 熱敏電阻或液體溫度探頭的定制解決方案。

顯示模塊：背光LED驅(qū)動(dòng)器和LED/LCD顯示屏

顯示模塊與微控制器 (MCU) 進(jìn)行通信并接收數(shù)據(jù)。為了在 MCU 和顯示電路之間保持無錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，請(qǐng)使用 TVS 二極管保護(hù) IC 免受 ESD 的影響。TVS 二極管可以具有較低的鉗位電壓，以確保電路中 IC 的安全。與推薦用于 AC/DC 電源的 TVS 二極管一樣，這些型號(hào)可以吸收高達(dá) 30 kV 的 ESD 沖擊。在顯示電路中，200 W 峰值脈沖功率吸收能力和小于 1 ns 的響應(yīng)時(shí)間就足夠了。從單向或雙向版本中進(jìn)行選擇，并利用表面貼裝封裝。

考慮使用 TVS 二極管陣列替代單個(gè) TVS 二極管，它可以保護(hù)兩條數(shù)據(jù)線并減少元件數(shù)量。顯示了帶有齊納二極管的雙線 TVS 二極管陣列，用于 ESD 保護(hù)。該 TVS 二極管陣列為每個(gè) I/O 信號(hào)線提供約 0.2 pF 的低電容。該陣列的功耗極小，漏電流為 10 nA。

機(jī)械子系統(tǒng)：位置/水平檢測和鍵盤

確保液位處于適當(dāng)水平，并且蓋子或腔室正確關(guān)閉，以確保設(shè)備安全運(yùn)行。一種液位和接近度檢測解決方案是隧道磁阻 (TMR) 傳感器。 顯示了帶有有源功率驅(qū)動(dòng)器的 TMR 傳感器。TMR 傳感器具有出色的靈敏度、17 G 和超低功耗的優(yōu)勢，在 1.8 至 5.5 V 的電源電壓下僅消耗 1.5 μA。TMR 傳感器的使用壽命極長，可達(dá) 200 億次。該傳感器還具有 IP67 的環(huán)境等級(jí)，可防止?jié)駳夂突覊m侵入。

作為位置傳感的替代方案，可以考慮使用簧片開關(guān)。簧片開關(guān)不消耗任何電能。其版本采用密封設(shè)計(jì)，可在 200 V 或 0.5 A 下切換高達(dá) 10 W。第三個(gè)選項(xiàng)是快動(dòng)開關(guān)，具體取決于小型電器的類型?？靹?dòng)開關(guān)是三種傳感器類型中最簡單的一種，用于實(shí)現(xiàn)位置檢測。這種類型的機(jī)械開關(guān)在 125 VAC 或 24 VDC 下可具有 3 A 的觸點(diǎn)額定值。使用壽命范圍為 3 A 下的 10,000 次循環(huán)至 0.1 A 下的 300,000 次循環(huán)。

這些保護(hù)和傳感元件有助于確保電器設(shè)計(jì)堅(jiān)固可靠。此外，推薦的元件不會(huì)干擾使產(chǎn)品正常運(yùn)行的主要電路。

設(shè)計(jì)設(shè)備效率

交流/直流電源

MOSFET可使開關(guān)電源以高開關(guān)頻率運(yùn)行，從而最大程度地提高 AC/DC 電源的效率。為了使電路中的功率損耗最小，請(qǐng)選擇具有以下特性的 MOSFET：

· 低 R DS(on)，低于 450 mΩ

· 低柵極電荷，數(shù)十納庫侖

· dV/dt 值在 50 V/ns 范圍內(nèi)的快速轉(zhuǎn)換率

在直流整流階段，考慮使用肖特基二極管。肖特基二極管封裝示例包含全波整流器的兩個(gè)支路。有效的肖特基二極管將具有低于 0.5 V 的低正向壓降、約 84 pF 的低結(jié)電容和低于 14 mA 的低漏電流。

電機(jī)控制電路

柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 可高效驅(qū)動(dòng) MOSFET 或 IGBT。柵極驅(qū)動(dòng)器具有較低的傳播延遲以及快速的上升和下降時(shí)間，以促進(jìn)功率晶體管的高頻操作。版本可以是單驅(qū)動(dòng)器或雙驅(qū)動(dòng)器，并且至少提供和吸收 2 A 的電流。

交流開關(guān)電路

在該電路中，交流三端雙向可控硅可以控制交流加熱器。該耐熱元件可在結(jié)溫達(dá)到 150°C 的情況下運(yùn)行。這些元件可承載 16 A 電流來為加熱器供電。

DC/DC 轉(zhuǎn)換器

考慮使用低功耗負(fù)載開關(guān)，為 MCU、顯示器和機(jī)械子系統(tǒng)高效配電。負(fù)載開關(guān)應(yīng)提供：

· 最大輸出電流 2A

· 工作電流為 1 μA

· 導(dǎo)通電阻低于 120 mΩ

· 典型靜態(tài)電流為 7 nA

· 335μs 受控上升時(shí)間可減輕浪涌電流的影響

這些組件將使電器以最高效率運(yùn)行。低功耗可節(jié)省消費(fèi)者每年的公用事業(yè)費(fèi)用，而低功耗電路則有助于延長電器的使用壽命。

防止過流、過壓、ESD 和過熱等電氣危害對(duì)于確保可靠運(yùn)行至關(guān)重要。推薦的組件可幫助設(shè)計(jì)人員開發(fā)安全、可靠且低功耗的小型電器。

為了確保產(chǎn)品堅(jiān)固耐用且高效，設(shè)計(jì)人員應(yīng)充分利用元件制造商的應(yīng)用工程師，以節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間和合規(guī)成本。應(yīng)用工程師可以幫助選擇經(jīng)濟(jì)高效的保護(hù)、傳感和高效元件。他們還了解不同電器適用的安全標(biāo)準(zhǔn)。

Littelfuse 等組件制造商可以執(zhí)行預(yù)合規(guī)性測試，以避免合規(guī)性測試失敗，并節(jié)省多次合規(guī)性測試周期的延遲和額外成本。

與組件制造商的應(yīng)用工程師合作并使用推薦的組件也有助于生產(chǎn)堅(jiān)固、可靠和高效的智能小家電。