智能家居控制電路弱電保護電路設計

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1方案設計及器件選擇

針對弱電保護，常常涉及到過流和過壓的保護，因而需要針對這兩個問題進行設計。其主要目的是在對應的電源線或信號線進行電壓或電流保護。弱電保護設計方案分別為5V電源線保護電路、12V電源線保護電路、24V電源線保護電路和36V電源線保護電路。針對于弱電保護方案的類同性，在此針對一個5V弱電保護電路進行方案設計。針對這個方案，常見弱電保護電路主要是保護后端元器件，保護電路主要的元器件是TVS管以及自恢復保險絲(或PTC熱敏電阻)。在抗交流干擾時，常見選用自恢復保險絲，以及考慮到不同控制板電路中電流的需求性，因而選用的自恢復保險絲一定切合實際需要，針對后端電路具體的元器件以及外圍設備，其保險絲的熔斷電流以及過壓值要匹配，此外，要考慮電路中允許的最大工作電流。這里主要講述TVS的選擇以及計算。針對TVS管，其具體選型步驟如下:

(1)確定待保護的電源或信號的直流電壓或持續工作電壓。如果是交流電，應該算出最大值，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，根據干擾脈沖的波形、脈沖持續時間，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)應低于被保護電路所允許的最大承受電壓。

(5)單極性還是雙向性:雙向TVS用于交流電或來自正負雙向脈沖的場合。

(6)如果知道比較準確的浪涌電流IPP，那么可以利用VC來確定其功率，如果無法確定功率的大概范圍，一般來說，選擇功率大一些較好。在試驗方案中筆者選擇的是5V電源線或信號線保護電路。因此可以設定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，但若是進行交流干擾測試，必須是雙向的TVS管。綜合電路考慮，必須針對反向工作電壓，具體計算擊穿電壓以及最大箝位電壓。在5V保護電路方案中設定輸入電壓5V，即輸入端工作電壓是設定為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。根據這些參數，查表得，SMBJ5．0CA(雙向TVS管)符合條件。在本次課題研究中，對于交流電是干擾信號，因此對于異常輸入的交流電壓信號應該起到抑制作用，進而保護后續電路。其中選用的熱敏電阻在交流電信號進入電路中，通過熱敏電阻發熱形成高阻，根據分壓原理，起到分壓作用，結合TVS管吸收過壓的能量，進而使保護電路輸出端的后續電路工作電壓在保護電壓值以下。

25V硬件保護電路設計

考慮到弱電保護電路四個方案的類同性，這里針對圖1方案進行電路設計，自恢復保險絲在過流的情況下，其溫度升高，則相應的阻值呈指數形式增長。因而依據分壓原理，在過壓情況下，其輸出端斷路。從而有利于保護電路。圖中V－OUT端口主要是IC的輸出引腳。TVS的作用原理是當管子兩端經受瞬態能量沖擊時能極快地將其兩端的阻抗降低，通過將能量吸收掉從而把其兩端間的電壓鉗制在其標稱值上，保護后端元件。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。因此可以保護后續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電，直接接入可以保證數分鐘通電不損壞。以本電路為例，以PTC+TVS管構成回路，當有大的交流電壓灌入時，PTC開始發熱，進而形成高阻，保證后續電路，對地的TVS能起到一定的保護作用。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測試及調試結果

在進行弱電電路保護電路測試時，選用的是PTC熱敏電阻。測試選用的TVS管是SMBJ6．5CA。在直流電路中，單向TVS管也能起到保護作用。但是在進行直流過流及過壓測試時，其熱敏電阻基本上不起作用，只是相當于一個阻值很小的電阻，因而導致電路中電流過大，但是PTC相當于一個限流管，因此對于超過其最大耐受電流時，其溫升很快，因而其阻值變得很大，從而達到限流的目的。TVS管吸收過大的能量時，這樣的情況長時間持續，即會導致TVS管的溫度非常高，導致焊接TVS管的錫融化，進而導致TVS管脫落。但是在交流過壓測試中，熱敏電阻相當于一個指數形式變化的變阻器，因而在過壓測試時，熱敏電阻起到非常巨大的作用。一方面相當于大電阻，可以起到限流分壓作用，另一方面當交流電壓值超過熱敏電阻的額定值時，熱敏電阻會形成斷路。從而與TVS管起到保護電路作用。

3．1試驗中直流過壓測試的實驗

針對電路中使用SMAJ6．5CA測試，該芯片的理論箝位電壓11．2V，實際測試為8．28V。

3．2試驗中交流干擾測試的實驗

弱電抗干擾實驗是在具體的直流輸出電源中引入一個干擾的交流信號。在交流干擾測試試驗中，電路中的TVS管應該選用雙向的TVS管，使用的儀器主要有脈沖群抗干擾發生器、直流穩壓源以及萬用表，試驗中對于直流電壓輸入分3次測試，每次測試2min。直流電壓輸入值為2．3，3．3，5．0V，在接好抗干擾實驗裝置上電后，用萬用表測試其輸出端電壓值。施加干擾源后，其輸出電壓是一個動態變化的范圍。對于輸入2．3V直流電壓，在引入250V交流電壓信號干擾后，其輸出主要在2．18～2．31V范圍內變化;輸入3．3V直流電壓后，在干擾源存在的條件下測試，其輸出主要在2．98～3．28V范圍內變化;輸入5V直流電壓后，在干擾源影響的條件下測試，其輸出主要在4．87～5．12V范圍內變化。

3．3弱電保護電路具體應用

在智能家居產品中常見有網關、可視對講，以及顯示終端等視頻和音頻于一體的智能設備。尤其這些設備中液晶屏部分和功放電路均為弱電控制。顯示終端通過適當的擴展，可以成為小型智能家居系統的網關，提供對系統設備和情景模式的控制功能。在具體顯示終端設備中，供電電壓有220V和12V兩種供電方式。很多設計中才有跳線來解決不同電壓供電問題。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板和顯示板，12V輸入，它們之間通過接口引入工作電壓。但是在實際設計中，尤其是住宅區，220VAC供電最為常見，為了避免交流信號的竄入，也為了提高系統電源的安全性，對于該弱電保護電路很有必要。

4結論

通過直流過壓測試以及交流干擾測試后，該設計電路具備電路保護作用。所不同的是在直流過壓測試中PTC需慎重選擇，由于電路中電流過大，宜根據實際的電流需求大小選用合適的自恢復保險絲。雷擊和浪涌測試中，尤其需要關注尖峰脈沖頻率。一般來說，弱電保護電路對于極大功率的尖峰脈沖干擾，起保護作用時間很短。時間長易導致電路軟損壞。在智能家居中弱電控制器以及通信模塊，液晶屏模塊，該弱電保護電路具有十分明顯的保護效果，且產生了明顯的經濟效益。

作者：王成 陳文杰 劉耀強 陳小林 潘小釵 單位：浙江達峰科技有限公司