設(shè)計(jì)家庭和建筑物安全產(chǎn)品(例如智能鎖和窗戶和門感應(yīng)設(shè)備)的工程師需要確保其設(shè)備不會(huì)給客戶帶來(lái)虛假的安全感。設(shè)計(jì)人員需要了解遵守適用的安全標(biāo)準(zhǔn)并確保安全、堅(jiān)固和可靠的產(chǎn)品所需的保護(hù)和傳感組件。

　　單就智能鎖市場(chǎng)而言，是一個(gè)高增長(zhǎng)的市場(chǎng)，是創(chuàng)新的機(jī)會(huì)。預(yù)計(jì)全球智能鎖的年復(fù)合增長(zhǎng)率(CAGR)將達(dá)到25%，單位增長(zhǎng)量將從2019年的約700萬(wàn)臺(tái)擴(kuò)大到2024年的約2300萬(wàn)臺(tái)。住宅市場(chǎng)將代表大部分的增長(zhǎng)，約為70%左右。

　　與智能鎖一樣，對(duì)人身安全的認(rèn)識(shí)的提高將推動(dòng)門窗傳感器在全球范圍內(nèi)的發(fā)展，尤其是在發(fā)展中經(jīng)濟(jì)體中。預(yù)計(jì)出貨量將從2019年的約3億個(gè)增加到2024年的約4.65億個(gè)。這一增長(zhǎng)的復(fù)合年增長(zhǎng)率約為9%。智能家居安全產(chǎn)品市場(chǎng)成為一個(gè)健康、有吸引力的市場(chǎng)。

　　保護(hù)智能鎖設(shè)計(jì)

　　智能門鎖包括一個(gè)用于手動(dòng)訪問(wèn)的鍵盤、一個(gè)用于智能手機(jī)通過(guò)軟件應(yīng)用訪問(wèn)的無(wú)線協(xié)議鏈接、一個(gè)用于監(jiān)測(cè)門把手位置的傳感器、用于鎖定或解鎖門的執(zhí)行器以及用于檢測(cè)規(guī)避鎖的壓力傳感。圖1顯示了一個(gè)智能門鎖的示例，其中包含建議的保護(hù)和傳感組件，以確保可靠的操作。圖2提供了智能門鎖的詳細(xì)框圖，圖中顯示了建議的保護(hù)和傳感元件的建議位置。

　　靜電放電(ESD)是智能鎖電子器件的首要危險(xiǎn)。 用戶界面和無(wú)線接口都容易受到用戶的ESD影響。

　　用戶界面包含鍵盤，人與鍵盤接觸，輸入預(yù)先編程的訪問(wèn)代碼。個(gè)人是ESD的來(lái)源，特別是在干燥的環(huán)境中。設(shè)計(jì)人員應(yīng)保護(hù)用戶接口電路塊免受ESD的影響，以避免損壞敏感的電子器件。

　　圖1.帶有推薦保護(hù)和感應(yīng)解決方案的智能鎖

　　圖2.智能鎖框圖，顯示了建議使用保護(hù)和感測(cè)組件的電路塊

　　對(duì)于ESD保護(hù)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮使用瞬態(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)構(gòu)建的齊納二極管，可提供ESD電壓的最小保護(hù)等級(jí)為±15 kV。一個(gè)TVS二極管陣列可以容納六個(gè)齊納二極管，以保護(hù)五個(gè)信號(hào)線并提供接地參考。請(qǐng)參見(jiàn)圖3。陣列的優(yōu)點(diǎn)是0402表面貼裝封裝中的一個(gè)節(jié)省空間的組件最多可以保護(hù)5條線。

　　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(wú)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.示例5線TVS二極管陣列

　　圖4.單個(gè)TVS二極管

　　無(wú)線接口鏈接到蜂窩網(wǎng)絡(luò)或無(wú)線LAN、WiFi網(wǎng)絡(luò)，以與智能手機(jī)或其他聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行通信。由于無(wú)線接口暴露在外部環(huán)境中，因此應(yīng)該具有ESD保護(hù)。推薦的組件是聚合物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瞬變的能力，而對(duì)無(wú)線接口輸出的特性阻抗的影響可以忽略不計(jì)。聚合物ESD抑制器可以承受±8 kV的直接接觸ESD和±15 kV的空襲。該組件的典型電容為低0.06 pF。對(duì)瞬態(tài)的響應(yīng)時(shí)間非常快，不到1 ns。放置位置應(yīng)盡可能靠近輸入天線連接器。圖5顯示了聚合物ESD抑制器的兩種配置，即雙向組件。

　　圖5.聚合物ESD抑制器的配置，雙向組件

　　智能鎖的感應(yīng)建議

　　檢測(cè)以確保門完全卡在門框中，需要一個(gè)傳感器。帶磁性致動(dòng)器的磁簧開(kāi)關(guān)是電池驅(qū)動(dòng)的智能鎖的低功耗傳感解決方案。磁簧開(kāi)關(guān)不需要任何驅(qū)動(dòng)電源，并且是密封的，在任何環(huán)境下都可以長(zhǎng)時(shí)間使用。版本可以切換10 W，額定值高達(dá)0.5 A或高達(dá)200 V的開(kāi)關(guān)，非常適用于低壓控制器電路。此外，表面安裝版本可用于自動(dòng)電路板組裝。

　　設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮設(shè)計(jì)用于安裝在框架(如門框)上的圓柱形磁性執(zhí)行器。鋁鎳鈷磁鐵是推薦的材料;而且，尺寸可以小到5 mm x 25 mm。

　　破壞檢測(cè)電路塊還需要一個(gè)傳感器，在鎖被破壞和門被打開(kāi)時(shí)向用戶發(fā)出警報(bào)。同樣，建議使用磁簧開(kāi)關(guān)和執(zhí)行器。磁簧開(kāi)關(guān)和執(zhí)行器的組合消耗的功率最小，以最大限度地延長(zhǎng)電池壽命。 設(shè)計(jì)人員可以考慮采用靈敏度可調(diào)的干簧管-執(zhí)行器組合，以確保對(duì)被篡改的鎖的快速反應(yīng)。

　　只需要四個(gè)元件就可以為智能鎖提供保護(hù)和感應(yīng)。這些元件占用的電路板空間最小，確保了產(chǎn)品的安全可靠。

　　保護(hù)無(wú)線門窗傳感器設(shè)計(jì)

　　無(wú)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(kāi)還是關(guān)閉的信息。圖6顯示了無(wú)線門傳感器和無(wú)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(cè)組件。

　　圖6.無(wú)線門窗感應(yīng)系統(tǒng)，其中顯示了推薦的保護(hù)和感應(yīng)組件

　　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(cè)窗戶或門的位置，并將信息報(bào)告給控制器，該控制器也是用戶的界面，并將信息發(fā)送到任何位置。感應(yīng)電路位于門和窗戶上，必須允許移動(dòng)。因此，電路必須由電池供電。帶鍵盤的用戶界面控制器位于固定位置，因此可以通過(guò)交流線供電。交流電源是商業(yè)安裝的典型應(yīng)用。

　　圖7.窗戶和門傳感器系統(tǒng)的框圖，顯示電路塊以及推薦的保護(hù)和傳感組件

　　與智能鎖一樣，設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮使用磁簧開(kāi)關(guān)磁致動(dòng)器進(jìn)行接近檢測(cè)。無(wú)需激活電源，舌簧開(kāi)關(guān)可延長(zhǎng)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(wú)線接口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RF傳輸?shù)耐暾浴Ｍ瑯宇愃朴谥悄苕i，帶有其鍵盤的用戶界面電路塊應(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(lái)自過(guò)流條件、雷擊和其他電壓瞬變以及ESD瞬變。設(shè)計(jì)人員可以使用熔斷器和電壓瞬變保護(hù)器件來(lái)保護(hù)自己的設(shè)計(jì)不受這些條件的影響。

　　保險(xiǎn)絲有很多選擇，包括保險(xiǎn)絲的工作特性和外殼樣式，可以滿足廣泛的設(shè)計(jì)目標(biāo)。設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮使用延時(shí)保險(xiǎn)絲或slo-blo保險(xiǎn)絲，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)短期過(guò)載(如適用)的涌入電流。其他考慮因素還包括中斷額定值，該額定值定義了保險(xiǎn)絲可以中斷的最大過(guò)載電流。該參數(shù)與保險(xiǎn)絲尺寸折衷。如果需要一個(gè)小的保險(xiǎn)絲，設(shè)計(jì)人員將需要確保該保險(xiǎn)絲能夠承受AC線提供的可用短路電流。最后要考慮的是保險(xiǎn)絲的耐寒性。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保險(xiǎn)絲。

　　為了安全地吸收來(lái)自雷電或電機(jī)導(dǎo)通和關(guān)斷尖峰的AC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的替代組件是TVS二極管。為保護(hù)電路免受雷電和其他瞬態(tài)影響而開(kāi)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)。提供表面貼裝版本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

　　與智能鎖一樣，它并不需要很多組件來(lái)保護(hù)窗戶和門的感應(yīng)電路。設(shè)計(jì)師有多種選擇來(lái)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)師應(yīng)該了解適用于他們正在開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)，以便他們可以在項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)階段納入需求。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(chǎng)和中國(guó)。這些文檔是智能鎖和窗戶和門傳感器設(shè)計(jì)人員必不可少的參考材料。

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

　　總結(jié)

　　對(duì)于智能鎖和窗戶和門感應(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(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。結(jié)合適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)和傳感組件將有助于實(shí)現(xiàn)安全可靠的產(chǎn)品。幸運(yùn)的是，設(shè)計(jì)人員只需要少量組件即可充分保護(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(zhǎng)電池壽命，以最大程度地減少電池更換的頻率。設(shè)計(jì)人員可以使用許多替代組件。獲得最佳設(shè)計(jì)的最后一項(xiàng)建議是利用組件制造商的專業(yè)知識(shí)并尋求他們的建議。