智能锁等门窗感应系统的电路保护与传感组件设计建议

　　设计家庭和建筑物安全产品(例如智能锁和窗户和门感应设备)的工程师需要确保其设备不会给客户带来虚假的安全感。设计人员需要了解遵守适用的安全标准并确保安全、坚固和可靠的产品所需的保护和传感组件。

　　单就智能锁市场而言，是一个高增长的市场，是创新的机会。预计全球智能锁的年复合增长率(CAGR)将达到25%，单位增长量将从2019年的约700万台扩大到2024年的约2300万台。住宅市场将代表大部分的增长，约为70%左右。

　　与智能锁一样，对人身安全的认识的提高将推动门窗传感器在全球范围内的发展，尤其是在发展中经济体中。预计出货量将从2019年的约3亿个增加到2024年的约4.65亿个。这一增长的复合年增长率约为9%。智能家居安全产品市场成为一个健康、有吸引力的市场。

　　保护智能锁设计

　　智能门锁包括一个用于手动访问的键盘、一个用于智能手机通过软件应用访问的无线协议链接、一个用于监测门把手位置的传感器、用于锁定或解锁门的执行器以及用于检测规避锁的压力传感。图1显示了一个智能门锁的示例，其中包含建议的保护和传感组件，以确保可靠的操作。图2提供了智能门锁的详细框图，图中显示了建议的保护和传感元件的建议位置。

　　静电放电(ESD)是智能锁电子器件的首要危险。 用户界面和无线接口都容易受到用户的ESD影响。

　　用户界面包含键盘，人与键盘接触，输入预先编程的访问代码。个人是ESD的来源，特别是在干燥的环境中。设计人员应保护用户接口电路块免受ESD的影响，以避免损坏敏感的电子器件。

　　图1.带有推荐保护和感应解决方案的智能锁

　　图2.智能锁框图，显示了建议使用保护和感测组件的电路块

　　对于ESD保护，设计人员应考虑使用瞬态电压抑制器(TVS)二极管或二极管阵列。TVS二极管是采用硅雪崩技术构建的齐纳二极管，可提供ESD电压的最小保护等级为±15 kV。一个TVS二极管阵列可以容纳六个齐纳二极管，以保护五个信号线并提供接地参考。请参见图3。阵列的优点是0402表面贴装封装中的一个节省空间的组件最多可以保护5条线。

　　对电路块的影响最小。TVS二极管阵列的泄漏电流仅为1 µA。如果需要更高级别的ESD保护，则单个二极管可以为每条信号线提供ESD保护。如图4所示，单个TVS二极管可以承受高达±30 kV的电压。无论使用哪种配置，都应将TVS二极管放置在尽可能靠近电路输入的位置，以防止ESD瞬变渗透到电路中。

　　图3.示例5线TVS二极管阵列

　　图4.单个TVS二极管

　　无线接口链接到蜂窝网络或无线LAN、WiFi网络，以与智能手机或其他联网设备进行通信。由于无线接口暴露在外部环境中，因此应该具有ESD保护。推荐的组件是聚合物ESD抑制器。

　　聚合物ESD抑制器的价值在于其响应和吸收ESD瞬变的能力，而对无线接口输出的特性阻抗的影响可以忽略不计。聚合物ESD抑制器可以承受±8 kV的直接接触ESD和±15 kV的空袭。该组件的典型电容为低0.06 pF。对瞬态的响应时间非常快，不到1 ns。放置位置应尽可能靠近输入天线连接器。图5显示了聚合物ESD抑制器的两种配置，即双向组件。

　　图5.聚合物ESD抑制器的配置，双向组件

　　智能锁的感应建议

　　检测以确保门完全卡在门框中，需要一个传感器。带磁性致动器的磁簧开关是电池驱动的智能锁的低功耗传感解决方案。磁簧开关不需要任何驱动电源，并且是密封的，在任何环境下都可以长时间使用。版本可以切换10 W，额定值高达0.5 A或高达200 V的开关，非常适用于低压控制器电路。此外，表面安装版本可用于自动电路板组装。

　　设计人员应考虑设计用于安装在框架(如门框)上的圆柱形磁性执行器。铝镍钴磁铁是推荐的材料;而且，尺寸可以小到5 mm x 25 mm。

　　破坏检测电路块还需要一个传感器，在锁被破坏和门被打开时向用户发出警报。同样，建议使用磁簧开关和执行器。磁簧开关和执行器的组合消耗的功率最小，以最大限度地延长电池寿命。 设计人员可以考虑采用灵敏度可调的干簧管-执行器组合，以确保对被篡改的锁的快速反应。

　　只需要四个元件就可以为智能锁提供保护和感应。这些元件占用的电路板空间最小，确保了产品的安全可靠。

　　保护无线门窗传感器设计

　　无线门窗传感器可提供有关门窗状态的信息。用户可以从任何位置获取有关门窗是打开还是关闭的信息。图6显示了无线门传感器和无线窗传感器的硬件配置。该图还显示了针对每个硬件元素推荐的保护和检测组件。

　　图6.无线门窗感应系统，其中显示了推荐的保护和感应组件

　　图7显示了系统的两个主要元素的框图。传感器电路检测窗户或门的位置，并将信息报告给控制器，该控制器也是用户的界面，并将信息发送到任何位置。感应电路位于门和窗户上，必须允许移动。因此，电路必须由电池供电。带键盘的用户界面控制器位于固定位置，因此可以通过交流线供电。交流电源是商业安装的典型应用。

　　图7.窗户和门传感器系统的框图，显示电路块以及推荐的保护和传感组件

　　与智能锁一样，设计人员应考虑使用磁簧开关磁致动器进行接近检测。无需激活电源，舌簧开关可延长传感器系统的电池寿命。传感器和用户界面控制器中的无线接口电路块可以使用聚合物ESD抑制器，以确保免受ESD影响，同时保持RF传输的完整性。同样类似于智能锁，带有其键盘的用户界面电路块应具有防止人为接触的ESD保护。TVS二极管阵列可以保护敏感信号线免受ESD瞬变的影响。

　　当交流电源和交流-直流电源为用户界面控制器供电时，设计人员需要保护控制器免受交流线路的潜在威胁。对电子设备的潜在损坏可能来自过流条件、雷击和其他电压瞬变以及ESD瞬变。设计人员可以使用熔断器和电压瞬变保护器件来保护自己的设计不受这些条件的影响。

　　保险丝有很多选择，包括保险丝的工作特性和外壳样式，可以满足广泛的设计目标。设计人员应考虑使用延时保险丝或slo-blo保险丝，以免造成不必要的停机。此外，设计人员应选择熔断器电流额定值，以适应短期过载(如适用)的涌入电流。其他考虑因素还包括中断额定值，该额定值定义了保险丝可以中断的最大过载电流。该参数与保险丝尺寸折衷。如果需要一个小的保险丝，设计人员将需要确保该保险丝能够承受AC线提供的可用短路电流。最后要考虑的是保险丝的耐寒性。如果功耗是主要考虑因素，则设计人员应寻找具有低抗寒性的保险丝。

　　为了安全地吸收来自雷电或电机导通和关断尖峰的AC线路上的瞬态电压的能量，设计人员应考虑使用金属氧化物压敏电阻(MOV)。MOV可以从8/20 µs瞬态脉冲吸收高达10,000 A的电流浪涌。20mm MOV还可以吸收多达530 J的能量。

　　MOV的替代组件是TVS二极管。为保护电路免受雷电和其他瞬态影响而开发的模型可以承受10/1000 µs脉冲高达1500 W的功率。为了最大程度地降低功耗，TVS二极管在正常工作条件下的消耗电流小于1 µA。此外，TVS二极管可以在不到1 ps的时间内快速响应瞬态。提供表面贴装版本以最大程度地减少组装工作。图8显示了TVS二极管的符号。设计人员可以选择双向二极管或单向二极管。

　　图8.双向和单向TVS二极管的配置

　　与智能锁一样，它并不需要很多组件来保护窗户和门的感应电路。设计师有多种选择来选择最适合其产品的版本。

　　符合电子安全产品行业标准

　　设计师应该了解适用于他们正在开发的产品的标准，以便他们可以在项目的开发阶段纳入需求。不符合标准可能会导致潜在的昂贵的重新设计工作和产品推出的延迟。

　　除了诸如IEC 61000系列之类的通用产品安全标准(这些标准定义了承受ESD，电快速瞬变和雷击的要求)外，还存在针对电子锁和相关产品的特定标准。表1列出了适用于电子锁和相关设备的标准。这些标准涵盖了北美市场和中国。这些文档是智能锁和窗户和门传感器设计人员必不可少的参考材料。

　　表1.北美和中国的电子锁及相关产品标准

　　总结

　　对于智能锁和窗户和门感应产品的制造商而言，质量、可靠性和便利性的声誉是其巨大的竞争优势。结合适当的保护和传感组件将有助于实现安全可靠的产品。幸运的是，设计人员只需要少量组件即可充分保护其产品并符合安全标准。使用低能耗传感器，设计人员可以最大限度地延长电池寿命，以最大程度地减少电池更换的频率。设计人员可以使用许多替代组件。获得最佳设计的最后一项建议是利用组件制造商的专业知识并寻求他们的建议。