張有瑞

摘 要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步，各種智能家居出現(xiàn)了。隨著智能家居的普及，智慧社區(qū)的概念也被提了出來(lái)。在未來(lái)，各家各戶(hù)的家具設(shè)備都能夠與互聯(lián)網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制。而智能家居上應(yīng)用廣泛、無(wú)所不在的弱電控制器是實(shí)現(xiàn)智能家居的重要部件，需要引起我們的重視。本文將對(duì)智能家居上的弱電控制器的保護(hù)電路設(shè)計(jì)進(jìn)行深入的分析和研究。

關(guān)鍵詞：智能家居；弱電保護(hù)；電流控制

一、前言

目前智能家居上廣泛使用的弱電控制器或者通信模塊的電源線(xiàn)容易受到220V電源的影響，嚴(yán)重的話(huà)可能會(huì)導(dǎo)致后端芯片損壞。傳統(tǒng)的應(yīng)對(duì)方法有浪涌保護(hù)器、屏蔽線(xiàn)等，但是這些應(yīng)對(duì)方法都不能徹底的解決問(wèn)題。為了克服這個(gè)問(wèn)題，我們需要設(shè)計(jì)一個(gè)低壓保護(hù)電路，能夠保護(hù)智能家居控制系統(tǒng)的后端控制器，讓控制器能夠經(jīng)受住直流過(guò)載和交流干擾。

二、方案設(shè)計(jì)和器件選擇

弱電保護(hù)要從兩個(gè)方向入手，一個(gè)是對(duì)過(guò)流的保護(hù)，一個(gè)是對(duì)過(guò)壓的保護(hù)。這兩個(gè)問(wèn)題是相對(duì)獨(dú)立的，需要進(jìn)行分別設(shè)計(jì)。一般來(lái)說(shuō)，弱電保護(hù)分為對(duì)5V、12V、24V和36V電路的保護(hù)，本文只以5V電路的保護(hù)為例子。

弱電保護(hù)關(guān)鍵的部分在于保護(hù)后端的元器件，保護(hù)元器件可以使用TVS管、PTC熱敏電阻或者自恢復(fù)保險(xiǎn)絲。其中，自恢復(fù)保險(xiǎn)絲是使用最為廣泛的。如果是使用TVS管，那么如何選擇合適的TVS管也是一個(gè)問(wèn)題。

選擇TVS管的具體步驟如下。首先，要確定要保護(hù)的電源的直流電壓。如果不是直流電而是交流電，還要算出最大值。第二，步驟一計(jì)算出來(lái)的電壓值不能小于TVS的工作電壓。第三要確定TVS的峰值脈沖功率能夠有效的抑制干擾冒充。要做到這一點(diǎn)，首先要計(jì)算出干擾脈沖的波形和持續(xù)時(shí)間。第四，TVS的最大鉗位電壓要比電路最大電壓低。第五，確定雙向TVS用于交流電的場(chǎng)合。第六，根據(jù)浪涌電流確定功率。功率越大越好[1]。

在完成了保護(hù)元器件的選擇之后，可以進(jìn)行交流干擾測(cè)試，綜合考慮，計(jì)算最大鉗位電壓和擊穿電壓的大小。交流電在實(shí)驗(yàn)中作為感染信號(hào)，所以異常輸入的交流電信號(hào)是被抑制的對(duì)象。如果選用了熱敏電阻，那么電阻將發(fā)熱，產(chǎn)生分壓作用，結(jié)合TVS管保護(hù)后續(xù)工作電路。

三、5V硬件保護(hù)電路設(shè)計(jì)

如果使用自恢復(fù)保險(xiǎn)絲來(lái)進(jìn)行5V硬件保護(hù)電路的設(shè)計(jì)，應(yīng)該考慮到電路過(guò)流對(duì)自恢復(fù)保險(xiǎn)絲的影響。保險(xiǎn)絲在過(guò)量的電流中溫度升高，相應(yīng)的電阻也變大了。根據(jù)分壓原理，輸出端斷路，這樣就能夠有效的保護(hù)電路。在這個(gè)過(guò)程中TVSDE作用是當(dāng)兩端收到瞬間到來(lái)的沖擊時(shí)能快速降低兩端的阻抗，吸收到能量，鉗制住兩邊的電壓，保護(hù)后端元器件面授雷擊和浪涌的傷害[2]。

四、測(cè)試和測(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證各種保護(hù)措施的效果，我們將進(jìn)行弱電電路保護(hù)電路測(cè)試。不同的測(cè)試使用不同的材料和保護(hù)方法。在測(cè)試中，使用單向的TVS管或者是SMBJ6.5CA型號(hào)的TVS管都可以。在進(jìn)行過(guò)流和過(guò)壓測(cè)試中，熱敏電阻能夠起到的作用很小，PTC起到一個(gè)限流的作用。如果超過(guò)了PTC管的最大耐受電流，那么阻值會(huì)提高，然后對(duì)電流進(jìn)行限制。

與在過(guò)流實(shí)驗(yàn)中不同，熱敏電阻在過(guò)壓測(cè)試中體現(xiàn)出了比較好的保護(hù)能力，電阻的提高呈指數(shù)提升。交流電壓超過(guò)最大值之后，熱敏電阻會(huì)立刻斷路，與TVS共同保護(hù)后端元器件[3]。

（一）試驗(yàn)中直流過(guò)壓測(cè)試的實(shí)驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)使用SMBJ6.5CA型號(hào)的TVS管來(lái)進(jìn)行測(cè)試，這種芯片的理論鉗位電壓是11.3V，根據(jù)測(cè)試實(shí)際上是8.3V。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)詳情請(qǐng)看表1。

根據(jù)表一我們可以清楚的看到，當(dāng)輸入電壓超過(guò)了8.28的峰值之后，輸出的電壓不在上漲，而是始終保持著8.28的最高輸出，這表示保護(hù)裝置起了作用，可以保護(hù)后端元器件免受過(guò)壓的損害。

（二）試驗(yàn)中交流干擾測(cè)試的實(shí)驗(yàn)

為了測(cè)試弱電抗干擾能力，我們將在這一次實(shí)驗(yàn)中在具體的直流輸出電源中加入交流信號(hào)，作為干擾的來(lái)源。在這次實(shí)驗(yàn)中，與上一次實(shí)驗(yàn)的單向TVS管不同，TVS管要選用雙向的，使用脈沖群抗干擾發(fā)生器、萬(wàn)用表和直流穩(wěn)壓源等儀器對(duì)TVS管的保護(hù)功能進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)分為三組，每組之間有兩分鐘的間隔時(shí)間。三次實(shí)驗(yàn)輸入的直流電壓分別是2.3V，3.3V和5V。在電路中接入抗干擾裝置，然后使用萬(wàn)用表來(lái)對(duì)輸出端的電壓進(jìn)行測(cè)試。

在加入了交流電干擾信號(hào)之后，輸出的電壓始終在變化，我們沒(méi)有辦法得到一個(gè)定值，只能劃定一個(gè)區(qū)間。輸入2.3V電壓之后，在引入250V的干擾電壓，得到的結(jié)果在2.18V到2.31V之間。輸入3.3V電壓之后，仍然延續(xù)之前的干擾電壓，得到的區(qū)間是2.98V到3.28V。在輸入5V電壓后，干擾電壓不變，輸出結(jié)果是4.97V到5.12V[4]。

（三）弱電保護(hù)電路具體應(yīng)用

這些弱電保護(hù)裝置具體應(yīng)用到智能家居之中，常見(jiàn)的地方有可視對(duì)講、網(wǎng)關(guān)和所有能夠進(jìn)行視頻和音頻輸出的設(shè)備。這種設(shè)備的液晶屏是由弱電控制的，需要抗過(guò)流抗過(guò)壓裝置的保護(hù)。顯示終端設(shè)備有220V和12V兩種，一般下層電源是220VAC，然后輸出12V，上層輸入12V，然后輸出需要的工作電壓。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，220VAC的比較常見(jiàn)。

五、結(jié)束語(yǔ)

智能家居控制電路弱電保護(hù)電路設(shè)計(jì)對(duì)于智能家居的發(fā)展有著非常重要的意義，只有做好了弱電保護(hù)才能避免過(guò)流和過(guò)壓對(duì)電器造成的傷害。本文你首先介紹了弱電保護(hù)裝置的方案設(shè)計(jì)和器件選擇，然后闡述了5V硬件保護(hù)電路的設(shè)計(jì)思路，最后進(jìn)行了一系列的測(cè)試來(lái)驗(yàn)證結(jié)果。（作者單位：吉林電視臺(tái)）

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳崇輝.基于GSM和電力線(xiàn)載波的智能家居控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].華南理工大學(xué)，2011.

[2] 師振偉.基于ARM和ZigBee的智能家居無(wú)線(xiàn)終端控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].西安工業(yè)大學(xué)，2013.

[3] 陳岳秋.基于電話(huà)網(wǎng)絡(luò)的太陽(yáng)能熱水器遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)的研究[D].湖南大學(xué)，2010.

[4] 魏海波.基于ARM和zigbee技術(shù)的智能家居燈光控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].江西科技師范大學(xué)，2014.