如何提高智能恒溫器的可靠性和效率

智能恒溫器已成為家庭、辦公樓和零售設(shè)施的常用節(jié)能方法。自2018年以來，智能恒溫器市場一直以22%的高復(fù)合年增長率增長。在如此高的增長下，制造商可以很容易地證明新車型的創(chuàng)新是合理的。未來的智能恒溫器將提供廣泛的信息，包括能源使用審計和暖通空調(diào)系統(tǒng)升級前后的能耗比較數(shù)據(jù)。

智能恒溫器將采用更多技術(shù)，例如用于控制和數(shù)據(jù)通信的各種物聯(lián)網(wǎng)接口。此外，這些設(shè)備將使用交流線路電源運行，并具有電池備用電源，以便在停電期間保持運行。

為了確保高度可靠的智能恒溫器，設(shè)計工程師必須采用堅固的組件來保護恒溫器免受潛在的破壞性外部威脅，例如電源線電流過載、電壓瞬變和靜電放電 （ESD） 沖擊。在本文中，設(shè)計人員將學(xué)習(xí)如何保護其敏感的電子電路免受這些危害。有了這些信息，設(shè)計人員將滿懷信心地開發(fā)出能夠承受危險瞬變并高度堅固可靠的智能恒溫器。

智能恒溫器操作概述

智能恒溫器可以執(zhí)行多種功能。與任何恒溫器一樣，智能恒溫器的主要功能是監(jiān)控周圍環(huán)境中的溫度，并在必要時激活HVAC系統(tǒng)以保持恒溫器設(shè)定點溫度。使恒溫器智能的功能包括：

傳達暖通空調(diào)系統(tǒng)狀態(tài)，

處理來自智能手機、PC 或平板電腦等遠程設(shè)備的控制信息，

如果需要采取措施，提醒所有者或經(jīng)理。

一些智能恒溫器有一個電池組，用于在交流線路電源中斷時備用電源。圖 1 顯示了一個智能恒溫器示例。圖像周圍的框描述了其功能，并列出了推薦的保護、控制和傳感技術(shù)，這些技術(shù)將提高智能恒溫器的可靠性和效率。

圖2顯示了智能恒溫器的詳細框圖?？驁D右側(cè)的表格列出了保護電路塊并實現(xiàn)高效控制和傳感的推薦組件。以下段落描述了可能損壞電路的危險，以及高可靠性和效率所需的推薦保護、控制和傳感組件。

圖2.智能恒溫器框圖

保護智能恒溫器免受過載、瞬態(tài)和靜電放電的影響

電源輸入電路塊

電源輸入模塊將來自 HVAC 系統(tǒng)的 24 VAC 輸入轉(zhuǎn)換為為所有其他電路模塊供電的直流電壓。盡管 HVAC 系統(tǒng)將恒溫器的電源線交流電壓降低到 24 VAC，但 24 VAC 線路仍然容易受到電源線過載電流和可能通過 HVAC 系統(tǒng)的電壓瞬變的影響。

為保護電源輸入免受持續(xù)電流過載的影響，請使用延時保險絲使保險絲能夠承受電機打開和關(guān)閉引起的浪涌電流。延時保險絲將避免因浪涌電流而導(dǎo)致的誤停機。微型軸向引線和表面貼裝保險絲可用于低壓電路，以節(jié)省寶貴的印刷電路板空間。

聚合物正溫度系數(shù) （PPTC） 可復(fù)位保險絲是標準一次性過載保險絲的替代方法。保險絲因過載電流發(fā)熱而斷開;但是，當(dāng)溫度低于閾值水平時，它會重置，并且在打開后不需要更換。

電力線上的雷擊和大型電機在電源線上感應(yīng)回電動勢電壓會導(dǎo)致破壞性的瞬態(tài)過載。這些電壓可以達到kV水平。雖然HVAC系統(tǒng)可以防止這些過載，但一些能量可以通過HVAC電路傳遞到電源輸入模塊。使用瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）二極管箝位和吸收剩余瞬態(tài)電壓及其能量。TVS二極管提供：

低于 1 ps 的超快響應(yīng)時間

低鉗位電壓，保護敏感半導(dǎo)體

能夠安全地吸收 400 W 的峰值脈沖功率

雙向和單向配置

具有表面貼裝外形規(guī)格的版本。

圖3顯示了雙向和單向TVS二極管的符號。雙向配置中顯示的兩個二極管使用陰極-陰極連接二極管。

圖3.雙向TVS二極管連接陰極-陰極和單向TVS二極管

電池管理單元

電池管理單元確保所有電池單元均力為負載供電，并監(jiān)控電池的充電狀態(tài)。使用 TVS 二極管保護半導(dǎo)體控制電路免受電壓瞬變和 ESD 的影響。考慮使用TVS二極管或多層壓敏電阻（MLV）。這兩種器件都可以提供非常低的鉗位電壓來保護低壓半導(dǎo)體，并提供符合電磁兼容性標準IEC 61000-4-2的ESD保護。

設(shè)計人員應(yīng)通過使用 PPTC 可復(fù)位保險絲來防止電池過度充電和電池過熱情況。PPTC 保險絲的版本可以是表面貼裝的 PC 板組件，也可以直接安裝在電池組上，以快速檢測過熱情況。

輸入/輸出接口

智能恒溫器可以有多個有線和無線接口。接口受到外部環(huán)境的危險，通常是ESD沖擊。

對于 USB 接口，請使用 TVS 二極管進行 ESD 保護。查找：

通過空氣或直接人體接觸至少安全吸收 ±20 kV ESD

最大電容為 1 pF，可將發(fā)送和接收信號的失真降至最低

不超過 10 V 的低鉗位電壓

單向或雙向二極管

漏電流低于 100 nA。

考慮使用 PPTC 可復(fù)位保險絲來保護 USB 接口免受電流過載的影響。尋找小型型號以節(jié)省 PC 板空間。

音頻輸入接口輸出警報并具有聲控輸入。使用 TVS 二極管保護此接口的 I/O 線路。考慮每條線路使用單向或雙向二極管。

輸入用戶界面提供數(shù)據(jù)輸入面板。Zigbee無線通信接口從智能手機或平板電腦等設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)并接收控制信息。兩個接口都需要防止ESD沖擊。提供至少10 kV雙向能量吸收的TVS二極管陣列將安全地保護這兩個接口。用于無線通信接口的TVS二極管的替代方案是聚合物ESD抑制器。聚合物ESD抑制器的電容非常低，通常約為0.25 pF，以最大限度地降低其對RF信號的影響，響應(yīng)時間不到1 ns，典型漏電流低于10 nA。

商用智能恒溫器中的RS-485有線M-Bus向外部系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。使用不對稱TVS二極管陣列保護RS-485數(shù)據(jù)線上的-7 V和+12 V工作電壓。此外，尋找高于 20 kV 的高 ESD 吸收。如圖4所示，一個組件保護兩條數(shù)據(jù)線。

圖4.用于吸收每條RS-485數(shù)據(jù)線上的電壓瞬變和ESD的非對稱TVS二極管陣列原理圖

最后一個界面是顯示屏，它至少顯示溫度設(shè)置和實際室溫。TVS二極管（例如推薦用于電池管理單元或多層壓敏電阻的二極管）可以保護顯示電路。

高效控制和傳感

考慮使用鎖存繼電器驅(qū)動器來控制智能恒溫器電路模塊的電源。為避免在切換過程中產(chǎn)生電磁干擾 （EMI），請尋找在交流線路電壓通過 0 V 時切換的驅(qū)動器。此外，閉鎖繼電器在閉合接觸狀態(tài)下不會消耗功率，因此可節(jié)省功耗。

智能恒溫器最關(guān)鍵的元件是溫度傳感器?？紤]使用熱敏電阻，負溫度系數(shù)（NTC）元件。熱敏電阻提供比其他溫度傳感器類型更好的精度，并檢測-55至+ 220°C的寬溫度范圍。 使用密封熱敏電阻以獲得長期的可靠性和穩(wěn)定性。小型表面貼裝版本可節(jié)省印刷電路板空間并允許自動插入。

智能恒溫器的適用安全標準

設(shè)計人員需要了解適用于智能恒溫器的標準，表1列出了這些安全標準。不遵守適當(dāng)?shù)臉藴士赡軐?dǎo)致無法通過合規(guī)性認證測試、額外的開發(fā)成本和延遲推向市場。

表 1.智能恒溫器的安全標準

采用保護和長壽命組件設(shè)計，實現(xiàn)高可靠性

設(shè)計人員只需要少量組件即可保護智能恒溫器并徹底提高其可靠性。成為電子設(shè)計各個方面的專家具有挑戰(zhàn)性，因此設(shè)計人員可以利用制造商應(yīng)用工程師在電路保護和高效控制方面的專業(yè)知識。他們可以在以下方面提供幫助：

經(jīng)濟高效的組件選擇

關(guān)于遵守適用安全標準的指南

預(yù)一致性測試，以幫助在合規(guī)性測試之前識別問題（某些制造商提供的服務(wù)）。

使用推薦的保護、控制和傳感組件將確?？煽康闹悄芎銣仄骶哂袕姶蟮耐獠课：ΡＷo，同時提供高效操作。

審核編輯：郭婷