以少量元件實現耐用可靠的動作偵測器設計
作者 : Ryan Sheahen，Littelfuse公司
本文介紹可顯著減少元件數量並提升產品性能及可靠性的紅外線偵測器設計，並討論如何確保動作偵測器可耐受外界干擾...
智慧家庭和建築運用了智慧技術，變得更加方便、安全和節能。圖1顯示適用於智慧家庭和建築物的各種產品，這些產品可以由家中的消費者或大樓管理人員進行自動監測和控制。
同時擁有方便、安全且節能優勢的產品之一就是紅外線動作偵測器。它們能感測某個區域是否有人，然後啟動照明、暖通空調系統(HVAC)或警報。如果動作偵測器要提供安全功能，則需要達到每週7天、每天24小時可靠運行。
圖1：在家庭和建築物中實現安全、方便、高效能源管理的智慧裝置。
被動式紅外線技術兼具了可靠性能和低廉成本的優勢，因此是動作感測領域的主流。這個市場取得了超過13%的複合年成長率(CAGR)，預計2025年將超過35億美元。推動成長的因素包括：
- 住宅對使用監視系統的安全需求
- 透過無線連接和物聯網(IoT)網路技術降低安裝成本
- 公共和商業部門順應政府的節能舉措
- 市場不斷成長，為全新且具創意的設計提供了機會
保護、控制和感測元件
由於被動式紅外線動作偵測器可用於室內或戶外監測，因此這些產品必須能抵抗環境的干擾。如果偵測器由交流(AC)線路供電，那麼它們必須能夠承受在AC電源線上傳播的電流超載和電壓瞬變。除了電路保護外，有效的控制和可靠的感測性能也十分重要。
圖2顯示了一個紅外線動作偵測器的例子，並指出了能增強產品性能和可靠性的保護、控制和感測元件。
圖2：被動式紅外線動作偵測器範例，顯示了推薦的保護、控制和感測元件
在圖3中，我們展示了一個被動式紅外線動作偵測器的方塊圖，並展示了上述保護、感測和控制元件應該放置在哪些電路中。接下來將逐一討論每個推薦元件。
圖3：被動式紅外線動作偵測器的方塊圖，顯示了推薦元件所在。
AC/DC電流級
以交流轉直流(AC/DC)電流級(AC/DC power stage)為其它電路模組提供DC電源。該電路與AC電源線連接，並受到電流突波和過電壓瞬變的影響。由雷擊、馬達啟動和關閉引起的感應尖峰，以及電源線電壓變化產生的瞬變，都可能引起過電壓瞬變和電流突波。
針對這些潛在的干擾，我們建議使用金屬氧化物壓敏電阻(MOV)作為AC/DC電流級板的第一道防線。將MOV盡可能靠近電路上AC電壓的入口，以減少電路板上AC線路瞬變的傳播路徑。可選用具有以下特徵的 MOV：
- 安全吸收高達10kA的峰值突波電流或150J的脈衝能量，以保護下游電路免受雷擊
- 不會損壞下游電路的低箝位電壓
- 工作溫度範圍可確保元件在偵測器指定的環境範圍內正常工作(具有酚醛塗層的MOV版本可在高達 125 °C 的溫度下安全工作)
- 取得UL或IEC認證，可縮短國家認可標準實驗室的認證時間
在AC/DC電流級的輸出端，我們建議使用瞬態電壓抑制器(TVS)二極體，進一步保護電源上的所有負載電路。TVS二極體將使各種負載電路中功率元件的暫態應力降至最低。TVS二極體具有以下電路保護優勢：
- 吸收高達 600W的峰值脈衝功率或100A的峰值突波電流
- ESD 保護高達30kV的空氣放電或直接接觸
- 超快回應瞬變 (低於1ps)
- 提供箝位電壓低至10V的版本
- 具備UL或IEC認證
如圖4所示，TVS二極體可以是雙向的，兩個串聯二極體在一個封裝中；也可以是單向的，單個二極體。除了它們的保護功能外，TVS 二極體消耗少量功率。在正常、無干擾的操作中，元件消耗的電流低於1µA。最後，TVS二極體的表面貼裝版本可用於節省印刷電路板(PCB)空間。
圖 4：用於防止 ESD和其它電氣瞬變的雙向和單向 TVS二極體
動作感測器和 MCU
被動式紅外線偵測器的主要元件是紅外線輻射感測器和微控制器(MCU)單元。請注意，我們提供了完整的套件，包括感測器、鏡頭和MCU單元(參見圖 5)。完整的套件供應如下：
- 由於感測器直接連接到MCU晶片，因此減少了設計的材料清單(BOM)。
- 包含偵測和處理電子產品完整設計所需所有電路的MCU，其中包括了CPU、RAM、計時器、比較器、A/D轉換器、通訊介面和感測器韌體。
- 兩單元或四單元的感測器與鏡頭相結合，可以為不同的視野提供多種選擇。
- 比起漏電流較高、產品壽命較短的電解電容器，該設計可使用成本更低、體積更小的陶瓷電容器。
- 先進的動作偵測器演算法，提供靈敏度、範圍和偵測管理領域。
- 靈活微控制器，可實現用戶定義的應用功能。
為了節省電源，未偵測到動作時，請考慮具有低功耗模式的組件。圖6顯示紅外線動作偵測器封裝的例子，其中包含較少元件的完整封裝和無電解電容器的組合，提高了整體產品可靠性，並且節省了PCB空間，還可降低成本。
圖5：整合了鏡頭、感測器和微控制器元件的方塊圖。
圖 6：集合了鏡頭、感測器、微控制器紅外線動作偵測器的電路板組裝範例。這是來自Zilog公司的組裝，其鏡頭和感測器位於電路板的頂部，微控制器位於感測器下方。
警報
當紅外線感測器偵測到適當的行動量時，將會啟動警報電路。該電路通常會驅動閃爍的LED燈，或LED燈加上揚聲器。該警報電路需要一個控制元件來為外部裝置供電。可以考慮採用磁簧繼電器或固態繼電器，這兩種繼電器都可提供高功率驅動器與低功率邏輯電路的電流隔離。固態繼電器為輸出驅動觸點延長壽命，而磁簧繼電器則可降低功耗。
磁簧繼電器採用緊湊型單列直插式封裝。您還可以獲得帶有內建反電動勢抑制二極體的磁簧繼電器，以保護線圈驅動電路，並附有磁遮罩選項，以防止線圈 EMI 進入控制電路。此外，磁簧繼電器觸點的壽命比傳統機電繼電器更長，並且相對較不受大範圍環境溫度的影響。
固態繼電器在輸入LED和輸出光電探測器電晶體之間進行光耦合控制。固態繼電器在輸入和輸出之間可以有高達1500Vrms的隔離。許多設計透過在零電壓交叉處啟動開關的邏輯來消除 EMI/RF。固態繼電器的版本可以具有低於1µA的低斷態輸出洩漏電流以降低功耗。它們採用節省空間的表面黏著(SMT)封裝。
您選擇的驅動元件將取決於確保觸點或輸出具有足夠的驅動能力，以滿足將要使用的輸出類型，但也要考慮尺寸、功耗和成本。
被動式紅外線動作偵測器的安全標準
為了通過認證並獲得市場認可，您的設計還需要遵循表1列出的關鍵標準。遵守這些標準將可降低認證成本並縮短認證時間。符合IEC標準，才能讓產品得以在全球所有地區銷售。
表1：管理被動式紅外線動作偵測器的安全和最低操作要求的標準。
耐用可靠的設計只需要少量元件和低開發成本
要實現耐用的紅外線偵測器設計，只需要幾個保護元件。您可以利用鏡頭/感測器/MCU封裝來減少元件數量，並提高產品可靠性。確保開發專案符合標準，以節省認證的時間和成本。本文建議可採納製造商的應用專業知識，以節省在選用保護和控制元件所花費的時間，並簡化繁複的設計階段。製造商還可以就設計適用的標準和確保合規性提供指引。這些建議將有助於實現耐用且可靠的設計，從而減少現場故障，並獲得更具成本效益和利潤的產品。
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