消費者享受著當(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器人吸塵器，可節(jié)省消費者做各種家務(wù)和準(zhǔn)備食物和飲料的時間。
設(shè)計師必須將智能技術(shù)融入到新家電設(shè)計中，以滿足消費者的需求。他們還必須提高家電的節(jié)能效果，讓電池供電的產(chǎn)品在停機和充電之間的間隔時間更長。
電器中的電子元件越多，設(shè)計師面臨的挑戰(zhàn)就越大，他們需要確保產(chǎn)品堅固可靠，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)計師介紹了電路保護方案和一些保護電路免受電氣危害的獨特元件。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)計師能夠開發(fā)出安全、高效、堅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，以及用于電路保護的組件，以最大限度地提高效率并檢測機器的狀態(tài)。這些組件保護電路免受電氣危害，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Ｒ恍┙M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、電機驅(qū)動、加熱、手動控制和顯示器。圖中的表格突出顯示了需要電路保護、高效運行和傳感的電路塊的推薦組件類型。
保護電路免受電氣危害
交流輸入初級保護電路的保護元件
交流線路供電產(chǎn)品必須應(yīng)對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。交流輸入主保護電路必須保護下游電路塊免受過流和電壓瞬變的影響。
延時保險絲用于保護電路免受過電流(例如短路)的影響。由于產(chǎn)品的浪涌電流，延時保險絲將避免意外保險絲熔斷。確保所選保險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，請考慮使用符合 IEC 60127-2 標(biāo)準(zhǔn)的保險絲。
交流電源線易受過壓瞬變的影響，這種瞬變可能會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。大型電機的開啟和關(guān)閉也會引起瞬變。在保險絲后與交流線路并聯(lián)使用金屬氧化物壓敏電阻 (MOV) 可以保護下游電路。選擇具有以下特征的 MOV：
· 單個瞬態(tài)脈沖的峰值電流吸收至少為 4.5 kA
· 額定工作溫度高達 105°C
· 能夠承受 6kV/3kVA 浪涌，符合 IEC 62368-1 附錄 G 的規(guī)定
保護交流/直流電源
由于響應(yīng)時間不理想，部分瞬態(tài)電流會通過 MOV，從而損壞下游組件。此外，ESD 還會損壞集成電路 (IC)。使用瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 二極管保護交流/直流電源免受過壓影響。TVS 二極管的主要特性包括：
· 高達 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
保護電機控制電路
電器電機需要保護，以免因短路、機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的可復(fù)位保險絲。確保 PPTC 保險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 且快速跳閘時間在 30 秒以下的型號。優(yōu)質(zhì)的 PPTC 保險絲將符合 EN 60730-1 標(biāo)準(zhǔn)。
為了防止電機因機械過載和過熱而損壞，請使用電流檢測電阻器監(jiān)控電機電流。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。為實現(xiàn)精確的電流測量，容差可以達到 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
為了避免加熱液體的電器損壞，應(yīng)安裝一個傳感器來監(jiān)測液體溫度。這可確保電器不會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)動器和LED/LCD顯示屏
顯示模塊與微控制器 (MCU) 進行通信并接收數(shù)據(jù)。為了在 MCU 和顯示電路之間保持無錯誤數(shù)據(jù)，請使用 TVS 二極管保護 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，這些型號可以吸收高達 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)時間就足夠了。從單向或雙向版本中進行選擇，并利用表面貼裝封裝。
考慮使用 TVS 二極管陣列替代單個 TVS 二極管，它可以保護兩條數(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。該 TVS 二極管陣列為每個 I/O 信號線提供約 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 200 億次。該傳感器還具有 IP67 的環(huán)境等級，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)?；善_關(guān)不消耗任何電能。其版本采用密封設(shè)計，可在 200 V 或 0.5 A 下切換高達 10 W。第三個選項是快動開關(guān)，具體取決于小型電器的類型?？靹娱_關(guān)是三種傳感器類型中最簡單的一種，用于實現(xiàn)位置檢測。這種類型的機械開關(guān)在 125 VAC 或 24 VDC 下可具有 3 A 的觸點額定值。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)。
這些保護和傳感元件有助于確保電器設(shè)計堅固可靠。此外，推薦的元件不會干擾使產(chǎn)品正常運行的主要電路。
設(shè)計設(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。
電機控制電路
柵極驅(qū)動器 IC 可高效驅(qū)動 MOSFET 或 IGBT。柵極驅(qū)動器具有較低的傳播延遲以及快速的上升和下降時間，以促進功率晶體管的高頻操作。版本可以是單驅(qū)動器或雙驅(qū)動器，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)溫達到 150°C 的情況下運行。這些元件可承載 16 A 電流來為加熱器供電。
DC/DC 轉(zhuǎn)換器
考慮使用低功耗負載開關(guān)，為 MCU、顯示器和機械子系統(tǒng)高效配電。負載開關(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行。低功耗可節(jié)省消費者每年的公用事業(yè)費用，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于確?？煽窟\行至關(guān)重要。推薦的組件可幫助設(shè)計人員開發(fā)安全、可靠且低功耗的小型電器。
為了確保產(chǎn)品堅固耐用且高效，設(shè)計人員應(yīng)充分利用元件制造商的應(yīng)用工程師，以節(jié)省設(shè)計時間和合規(guī)成本。應(yīng)用工程師可以幫助選擇經(jīng)濟高效的保護、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)堅固、可靠和高效的智能小家電。
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