智能家居控制电路弱电保护电路设计

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1方案设计及器件选择

针对弱电保护，常常涉及到过流和过压的保护，因而需要针对这两个问题进行设计。其主要目的是在对应的电源线或信号线进行电压或电流保护。弱电保护设计方案分别为5V电源线保护电路、12V电源线保护电路、24V电源线保护电路和36V电源线保护电路。针对于弱电保护方案的类同性，在此针对一个5V弱电保护电路进行方案设计。针对这个方案，常见弱电保护电路主要是保护后端元器件，保护电路主要的元器件是TVS管以及自恢复保险丝(或PTC热敏电阻)。在抗交流干扰时，常见选用自恢复保险丝，以及考虑到不同控制板电路中电流的需求性，因而选用的自恢复保险丝一定切合实际需要，针对后端电路具体的元器件以及外围设备，其保险丝的熔断电流以及过压值要匹配，此外，要考虑电路中允许的最大工作电流。这里主要讲述TVS的选择以及计算。针对TVS管，其具体选型步骤如下:

(1)确定待保护的电源或信号的直流电压或持续工作电压。如果是交流电，应该算出最大值，即有效值×1．414。

(2)TVS的反向变位电压即工作电压(VRWM)———选择TVS的VRWM等于或大于步骤(1)所规定的操作电压。

(3)最大峰值脉冲功率:确定电路中的干扰脉冲情况，根据干扰脉冲的波形、脉冲持续时间，确定能够有效抑制该干扰的TVS峰值脉冲功率。

(4)所选的TVS的最大箝位电压(VC)应低于被保护电路所允许的最大承受电压。

(5)单极性还是双向性:双向TVS用于交流电或来自正负双向脉冲的场合。

(6)如果知道比较准确的浪涌电流IPP，那么可以利用VC来确定其功率，如果无法确定功率的大概范围，一般来说，选择功率大一些较好。在试验方案中笔者选择的是5V电源线或信号线保护电路。因此可以设定TVS管的反向击穿电压为5V，若是考虑在直流电路中，其选择的TVS管可以使单向的，但若是进行交流干扰测试，必须是双向的TVS管。综合电路考虑，必须针对反向工作电压，具体计算击穿电压以及最大箝位电压。在5V保护电路方案中设定输入电压5V，即输入端工作电压是设定为5V，得出:反向工作电压VWM=5V;击穿电压VBR=5V/0．8=6．25V;VC=1．3×6．25V=8．125V。根据这些参数，查表得，SMBJ5．0CA(双向TVS管)符合条件。在本次课题研究中，对于交流电是干扰信号，因此对于异常输入的交流电压信号应该起到抑制作用，进而保护后续电路。其中选用的热敏电阻在交流电信号进入电路中，通过热敏电阻发热形成高阻，根据分压原理，起到分压作用，结合TVS管吸收过压的能量，进而使保护电路输出端的后续电路工作电压在保护电压值以下。

25V硬件保护电路设计

考虑到弱电保护电路四个方案的类同性，这里针对图1方案进行电路设计，自恢复保险丝在过流的情况下，其温度升高，则相应的阻值呈指数形式增长。因而依据分压原理，在过压情况下，其输出端断路。从而有利于保护电路。图中V－OUT端口主要是IC的输出引脚。TVS的作用原理是当管子两端经受瞬态能量冲击时能极快地将其两端的阻抗降低，通过将能量吸收掉从而把其两端间的电压钳制在其标称值上，保护后端元件。所选用的SMBJ5．0CA箝位电压为9．2V，其工作电压为5V，符合上述TVS选择。因此可以保护后续电路或芯片避免受到雷击和浪涌的损害。接口能耐受市电或者工业电，直接接入可以保证数分钟通电不损坏。以本电路为例，以PTC+TVS管构成回路，当有大的交流电压灌入时，PTC开始发热，进而形成高阻，保证后续电路，对地的TVS能起到一定的保护作用。电路中R1，R2，C1，C2是可选的安装芯片(可以不安装)，用于提高电路的EMI性能。

3测试及调试结果

在进行弱电电路保护电路测试时，选用的是PTC热敏电阻。测试选用的TVS管是SMBJ6．5CA。在直流电路中，单向TVS管也能起到保护作用。但是在进行直流过流及过压测试时，其热敏电阻基本上不起作用，只是相当于一个阻值很小的电阻，因而导致电路中电流过大，但是PTC相当于一个限流管，因此对于超过其最大耐受电流时，其温升很快，因而其阻值变得很大，从而达到限流的目的。TVS管吸收过大的能量时，这样的情况长时间持续，即会导致TVS管的温度非常高，导致焊接TVS管的锡融化，进而导致TVS管脱落。但是在交流过压测试中，热敏电阻相当于一个指数形式变化的变阻器，因而在过压测试时，热敏电阻起到非常巨大的作用。一方面相当于大电阻，可以起到限流分压作用，另一方面当交流电压值超过热敏电阻的额定值时，热敏电阻会形成断路。从而与TVS管起到保护电路作用。

3．1试验中直流过压测试的实验

针对电路中使用SMAJ6．5CA测试，该芯片的理论箝位电压11．2V，实际测试为8．28V。

3．2试验中交流干扰测试的实验

弱电抗干扰实验是在具体的直流输出电源中引入一个干扰的交流信号。在交流干扰测试试验中，电路中的TVS管应该选用双向的TVS管，使用的仪器主要有脉冲群抗干扰发生器、直流稳压源以及万用表，试验中对于直流电压输入分3次测试，每次测试2min。直流电压输入值为2．3，3．3，5．0V，在接好抗干扰实验装置上电后，用万用表测试其输出端电压值。施加干扰源后，其输出电压是一个动态变化的范围。对于输入2．3V直流电压，在引入250V交流电压信号干扰后，其输出主要在2．18～2．31V范围内变化;输入3．3V直流电压后，在干扰源存在的条件下测试，其输出主要在2．98～3．28V范围内变化;输入5V直流电压后，在干扰源影响的条件下测试，其输出主要在4．87～5．12V范围内变化。

3．3弱电保护电路具体应用

在智能家居产品中常见有网关、可视对讲，以及显示终端等视频和音频于一体的智能设备。尤其这些设备中液晶屏部分和功放电路均为弱电控制。显示终端通过适当的扩展，可以成为小型智能家居系统的网关，提供对系统设备和情景模式的控制功能。在具体显示终端设备中，供电电压有220V和12V两种供电方式。很多设计中才有跳线来解决不同电压供电问题。在显示终端中，下层电路板为电源板，220VAC交流电压引入，12V输出，上层电路板为高频信号板和显示板，12V输入，它们之间通过接口引入工作电压。但是在实际设计中，尤其是住宅区，220VAC供电最为常见，为了避免交流信号的窜入，也为了提高系统电源的安全性，对于该弱电保护电路很有必要。

4结论

通过直流过压测试以及交流干扰测试后，该设计电路具备电路保护作用。所不同的是在直流过压测试中PTC需慎重选择，由于电路中电流过大，宜根据实际的电流需求大小选用合适的自恢复保险丝。雷击和浪涌测试中，尤其需要关注尖峰脉冲频率。一般来说，弱电保护电路对于极大功率的尖峰脉冲干扰，起保护作用时间很短。时间长易导致电路软损坏。在智能家居中弱电控制器以及通信模块，液晶屏模块，该弱电保护电路具有十分明显的保护效果，且产生了明显的经济效益。

作者：王成 陈文杰 刘耀强 陈小林 潘小钗 单位：浙江达峰科技有限公司