智能家居門鎖和門禁的智能電路保護(hù)和傳感設(shè)計(jì)

本文概述了智能家居和工業(yè)建筑中的訪問控制拓?fù)洌w了工程師們?cè)谠O(shè)計(jì)中可以使用的各種保護(hù)和傳感解決方案。

智能手機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)技術(shù)的結(jié)合使得智能家居和高級(jí)樓宇自動(dòng)化的發(fā)展成為可能。這些技術(shù)提供了更高的自動(dòng)化、控制和安全性，為屋主或辦公室住戶提供了更大的便利和更具安全性的舒適感。無論屋主或辦公室住戶在哪里，他們都可以查看門鎖和門窗的狀態(tài)。

設(shè)計(jì)家庭和建筑物安全產(chǎn)品(例如智能門鎖及門窗感應(yīng)設(shè)備)的工程師們需要確保其設(shè)備不會(huì)給客戶帶來虛假的安全感。 設(shè)計(jì)人員需要了解遵守適用安全標(biāo)準(zhǔn)并確保安全，堅(jiān)固和可靠的產(chǎn)品所需的保護(hù)和傳感元件。

智能門鎖市場本身就是一個(gè)高增長市場，而且是創(chuàng)新的機(jī)會(huì)。智能門鎖的全球增長預(yù)計(jì)將以25%的年復(fù)合增長率(CAGR)增長，單位數(shù)量將從2019年的約700萬個(gè)增加到2024年的約2300萬個(gè)。住宅市場將是增長的主要部分 ，大約占70%。

與智能門鎖一樣，個(gè)人安全意識(shí)的提高將推動(dòng)門窗傳感器的全球增長，尤其是在發(fā)展中國家。預(yù)計(jì)出貨量將從2019年的約3億臺(tái)增加到2024年的約4.65億臺(tái)。這一增長的年復(fù)合增長率約為9%。智能家居安防產(chǎn)品市場是一個(gè)健康、有吸引力的市場。

保護(hù)智能門鎖設(shè)計(jì)

智能門鎖由一個(gè)用于手動(dòng)訪問的鍵盤、一個(gè)用于通過軟件應(yīng)用程序訪問智能手機(jī)的無線協(xié)議鏈路、一個(gè)用于監(jiān)控門把手位置的傳感器、一個(gè)用于鎖定或解鎖門的執(zhí)行器以及一個(gè)用于檢測規(guī)避門鎖作用力的傳感裝置組成。圖1列舉顯示了一個(gè)智能門鎖，它具有建議的保護(hù)和傳感元件以確保操作可靠。圖2提供了智能門鎖的詳細(xì)框圖;該圖顯示了建議的保護(hù)和傳感元件的推薦位置。

靜電放電(ESD)是智能門鎖電子設(shè)備的主要危險(xiǎn)。 用戶界面和無線界面都容易受到用戶ESD的影響。

用戶界面包含了鍵盤，用戶可通過該鍵盤輸入預(yù)編程的訪問代碼。用戶是靜電放電的來源，尤其是在干燥的環(huán)境中。設(shè)計(jì)人員應(yīng)保護(hù)用戶界面電路塊不受ESD的影響，以避免損壞敏感電子設(shè)備。

圖1.具有推薦保護(hù)和感測解決方案的智能門鎖

圖2.智能門鎖框圖，顯示了推薦使用的保護(hù)和感測元件的電路塊

對(duì)于ESD保護(hù)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)二極管或二極管陣列。TVS二極管是采用硅雪崩技術(shù)制造的齊納二極管，可提供±15 kV ESD電壓的最低保護(hù)水平。一個(gè)TVS二極管陣列可以容納六個(gè)齊納二極管來保護(hù)五條信號(hào)線并提供一個(gè)接地基準(zhǔn)。見圖3。陣列的優(yōu)點(diǎn)是0402表面貼裝封裝中的一個(gè)節(jié)省空間的元件可以保護(hù)多達(dá)五條線路。

對(duì)電路塊的影響最小。 TVS二極管陣列的泄漏電流僅為1 μA。 如果需要更高級(jí)別的ESD保護(hù)，則單個(gè)二極管可以為每條信號(hào)線提供ESD保護(hù)。 如圖4所示，單個(gè)TVS二極管可以承受高達(dá)±30 kV的電壓。 無論使用哪種配置，都應(yīng)將TVS二極管放置在盡可能靠近電路輸入的位置，以防止ESD瞬變滲透到電路中。

圖3. 5線路TVS二極管陣列示例

圖4.單個(gè)TVS二極管

無線界面連接到蜂窩網(wǎng)絡(luò)或無線局域網(wǎng)(WiFi網(wǎng)絡(luò))，以便與智能手機(jī)或其它聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通信。由于它暴露在外部環(huán)境中，無線界面應(yīng)具有ESD保護(hù)。建議使用聚合物ESD抑制器。

聚合物ESD抑制器的價(jià)值在于其響應(yīng)和吸收ESD瞬態(tài)的能力，同時(shí)對(duì)無線界面輸出的特性阻抗的影響可以忽略不計(jì)。聚合物ESD抑制器可承受±8 kV直接接觸ESD和±15 kV空擊。該元件的典型電容為低0.06 pF。瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間極快，小于1ns。放置位置應(yīng)盡可能靠近輸入天線接頭。圖5顯示了聚合物ESD抑制器的兩種配置，即雙向元件。

圖5.聚合物ESD抑制器的配置，雙向元件

智能門鎖的感測建議

為了確保門完全固定在門框中，檢測時(shí)需要一個(gè)傳感器。 帶有磁性執(zhí)行器的舌簧開關(guān)是一種低功耗傳感解決方案，用于電池供電的智能門鎖。 磁簧開關(guān)不需要任何驅(qū)動(dòng)力，并且是全密封，可在任何環(huán)境下長期使用。這種型號(hào)的門鎖開關(guān)功率為10 W，額定電流高達(dá)0.5 A或高達(dá)200V。這些開關(guān)非常適合用于低壓控制器電路。 此外，表面安裝型可用于自動(dòng)電路板組裝。

設(shè)計(jì)人員應(yīng)該考慮一種圓柱形的磁性致動(dòng)器，用于安裝在門框等框架上。推薦使用鋁鎳鈷磁體;尺寸可小至5 mm x 25 mm。

如果門鎖已被破壞和門已被打開的話，篡改檢測電路塊還需要有一個(gè)傳感器來提醒用戶。同樣，推薦使用簧片開關(guān)和執(zhí)行器?；善_關(guān)執(zhí)行器組合消耗的功率最小，可以最大限度地延長電池壽命。設(shè)計(jì)人員可以考慮有可調(diào)靈敏度的簧片開關(guān)驅(qū)動(dòng)器，以確?？焖夙憫?yīng)被篡改過的門鎖。

它僅需四種元件即可為智能門鎖提供保護(hù)和感應(yīng)。 這些元件消耗最少的電路板空間，并確保產(chǎn)品安全可靠。

保護(hù)無線門窗傳感器設(shè)計(jì)

無線門窗傳感器可提供有關(guān)門窗狀態(tài)的信息。 用戶可以從任何位置獲取有關(guān)門窗是打開還是關(guān)閉的信息。 圖6顯示了無線門傳感器和無線窗傳感器的硬件配置。 該圖還顯示了針對(duì)每個(gè)硬件元素推薦的保護(hù)和檢測元件。

圖6. 顯示了具有推薦保護(hù)和感應(yīng)元件的無線門窗感應(yīng)系統(tǒng)

圖7顯示了系統(tǒng)的兩個(gè)主要元素的框圖。傳感器電路檢測窗或門的位置，并將信息報(bào)告給控制器，控制器也是用戶界面，并向任何位置發(fā)送信息。傳感電路位于門和窗上，必須允許移動(dòng);因此，電路必須由蓄電池供電。帶鍵盤的用戶界面控制器位于固定位置，因此可以通過交流線路供電。交流線路電源是商業(yè)設(shè)施的典型應(yīng)用。

圖7. 窗和門傳感器系統(tǒng)的框圖，顯示了電路塊以及推薦的保護(hù)和傳感元件

與智能門鎖一樣，設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮使用磁簧開關(guān)磁致動(dòng)器進(jìn)行接近檢測。無需激活電源，舌簧開關(guān)可延長傳感器系統(tǒng)的電池壽命。 傳感器和用戶界面控制器中的無線界面電路塊可以使用聚合物ESD抑制器，以確保免受ESD影響，同時(shí)保持射頻(RF)傳輸?shù)耐暾浴? 同樣類似于智能門鎖，用戶界面電路塊及其鍵盤應(yīng)具有防止人為接觸的ESD保護(hù)。 TVS二極管陣列可以保護(hù)敏感信號(hào)線免受ESD瞬變的影響。

當(dāng)交流電源和交流-直流電源為用戶界面控制器供電時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要保護(hù)控制器免受交流線路的潛在威脅。對(duì)電子設(shè)備的潛在損壞可能來自過電流事件，雷擊和其它電壓瞬變以及ESD瞬變。 設(shè)計(jì)人員可以通過熔斷器和電壓瞬變保護(hù)器件來保護(hù)自己的設(shè)計(jì)不受這些事件的影響。

熔斷器有多種選擇，包括熔斷器的工作特性和外殼樣式，以滿足廣泛的設(shè)計(jì)目標(biāo)。 設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮使用延時(shí)熔斷器或slo-blo熔斷器，以免造成不必要的停機(jī)。 此外，設(shè)計(jì)人員應(yīng)選擇熔斷器電流額定值，以適應(yīng)短時(shí)過載(如適用)的涌入電流。 其它考慮因素包括中斷額定值，該值定義了熔斷器可以中斷的最大過載電流。 該參數(shù)與熔斷器尺寸相權(quán)衡。 如果需要一個(gè)小熔斷器，設(shè)計(jì)人員將需要確保該熔斷器能夠承受交流線路提供的可用短路電流。 最后要考慮的是熔斷器的耐寒性。 如果功耗是主要考慮因素，則設(shè)計(jì)人員應(yīng)尋找具有低抗寒性的熔斷器。

為了安全地吸收來自雷電或電機(jī)導(dǎo)通和關(guān)斷尖峰的交流線路上的瞬態(tài)電壓的能量，設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮使用金屬氧化物壓敏電阻(MOV)。 MOV可以從8/20 μs瞬態(tài)脈沖吸收高達(dá)10,000 A的電流浪涌。 20mm MOV還可以吸收多達(dá)530 J的能量。

MOV的替代元件是TVS二極管。 為保護(hù)電路免受雷電和其它瞬態(tài)影響而開發(fā)的模型可以承受10/1000 μs脈沖高達(dá)1500 W的功率。 為了最大程度地降低功耗，TVS二極管在正常工作條件下的消耗電流小于1 μA。 此外，TVS二極管可以在不到1 ps的時(shí)間內(nèi)快速響應(yīng)瞬態(tài)。 表面貼裝版本可以最大程度地減少組裝工作。 圖8顯示了TVS二極管的符號(hào)。 設(shè)計(jì)人員可以選擇雙向二極管或單向二極管。

圖8.雙向和單向TVS二極管的配置

與智能門鎖一樣，它并不需要很多元件來保護(hù)窗和門的感應(yīng)電路。 設(shè)計(jì)人員有多種選項(xiàng)來選擇最適合其產(chǎn)品的版本。

符合電子安全產(chǎn)品行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計(jì)人員應(yīng)該了解適用于他們正在開發(fā)的產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)，以便他們可以在項(xiàng)目的開發(fā)階段結(jié)合需求。 不符合標(biāo)準(zhǔn)可能會(huì)導(dǎo)致潛在的昂貴的重新設(shè)計(jì)工作和產(chǎn)品推出的延遲。

除了諸如IEC 61000系列之類的通用產(chǎn)品安全標(biāo)準(zhǔn)(這些標(biāo)準(zhǔn)定義了承受ESD，電快速瞬變和雷擊的要求)外，還存在針對(duì)電子門鎖和相關(guān)產(chǎn)品的特定標(biāo)準(zhǔn)。 表1列出了適用于電子門鎖和相關(guān)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)。 這些標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了北美市場和中國市場。 這些文檔是智能門鎖和門窗傳感器設(shè)計(jì)人員必不可少的參考材料。

表1.北美和中國的電子門鎖及相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)

總結(jié)

對(duì)于智能門鎖和門窗感應(yīng)產(chǎn)品的制造商而言，質(zhì)量，可靠性和便利性的聲譽(yù)是其巨大的競爭優(yōu)勢。 結(jié)合適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)和傳感元件將有助于實(shí)現(xiàn)安全可靠的產(chǎn)品。 幸運(yùn)的是，設(shè)計(jì)人員只需要少量元件即可充分保護(hù)其產(chǎn)品并符合安全標(biāo)準(zhǔn)。 使用低能耗傳感器，設(shè)計(jì)人員可以最大限度地延長電池壽命，以最大程度地減少電池更換的頻率。設(shè)計(jì)人員有許多替代元件可以使用。實(shí)現(xiàn)最佳設(shè)計(jì)的最后一項(xiàng)建議是利用元件制造商的專業(yè)知識(shí)并尋求他們的建議。

有關(guān)電路保護(hù)、傳感器件和元件選擇標(biāo)準(zhǔn)的更多信息，請(qǐng)參閱Littelfuse提供的《電路保護(hù)選擇指南》和《傳感產(chǎn)品選擇指南》。