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[导读]今天的通信、处理和用户界面电子设备需要更全面地考虑静电放电、电源浪涌和其它电气干扰。这意味着设计人员需要考虑更广泛的电路保护解决方案,以确保客户满意。

设计人员需要考虑一系列电路保护解决方案,以确保客户满意。

本文引用地址: http://www.21ic.com/app/ce/201904/887865.htm

 

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为确保良好的用户体验和高客户满意度,包含最新电子功能的现代电器还必须采用适当的电路保护解决方案。

即使设备更复杂,消费者仍然期望主要设备的使用寿命为7到10年或更长。由于电冰箱中电子元件的数量不断增加,电器设计工程师必须仔细考虑如何继续满足消费者对可靠性和寿命的期望。虽然冰箱设计者长期以来一直考虑到电源效率和传感器监控等问题,但随着功能的增加,确保足够的电路保护变得比以往任何时候都更重要。

内置的无线连接模块正变得越来越广泛,以满足消费者对其设备的远程监控和控制的兴趣。 物联网(IoT)使物联网设备成为智能家居概念的一部分成为可能。

最新的冰箱设计提供多种“智能”功能,包括有助于限制内部温度波动以减少能源使用的快速冷却,变频压缩机,以及可根据存储在其中的物品调节制冷条件的独立隔间,从而实现高效率 LED照明,透视门,触摸屏通信和用于远程观看的内部摄像头。在许多方面,今天的冰箱与智能手机及平板电脑等消费类电子产品相比,比几十年前的家用电器更有共同之处。当然,今天冰箱的价格相对较高意味着买家认为他们有权期望比消费电子产品买家所接受的寿命要多三到五年。

今天的通信、处理和用户界面电子设备需要更全面地考虑静电放电、电源浪涌和其它电气干扰。这意味着设计人员需要考虑更广泛的电路保护解决方案,以确保客户满意。

冰箱的演变

早期的冰箱和冰柜依靠使用机械开关来指示打开的门和隔间,但较新的型号采用各种电子和磁性传感器。尽管这些传感器系统通常允许更耐用,美观且易于清洁的设计,但是一些技术选择也可能更容易受到电气瞬变的损坏。

 

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图1. 随着制冷系统的发展,需要用到越来越多的电子元件,防止过早故障所需的电路保护器件的种类也越来越多。

为了降低能耗并支持消费者正在寻找的所有先进功能,现代冰箱和冰柜在各个抽屉和隔间中整合了更多的控制电路和越来越多的温度,湿度和数字传感器。 但是,添加更多电子元件会增加更多电气故障,潜在保修费用和不满意客户的可能性。

为了提高用户体验,提供更高的亮度和更高的颜色精度,现代冰箱照明正迅速从白炽灯照明元件转向基于LED的照明系统。然而,就像许多其它半导体器件一样,LED驱动器和照明元件本身可能需要防止静电放电(ESD)电压和电气瞬变。值得注意的是,ESD浪涌通常是正常用户交互的结果;超过10 kV的浪涌可能是一个人在穿过铺地毯的地板后触摸该单元的结果。

最新的家用电器设计还包括越来越多的小型电机和执行机构,如饮水机、制冰机、风扇等。对于每台电机,设计人员必须考虑如何确保防止过流和过热情况。

将无线通信能力和触摸屏用户界面集成到家用电器中的设计人员需要考虑保护移动电子设备(平板电脑、电话、笔记本)的最佳设计方法。然而,考虑到选择,更保守的设计实践是有必要的,因为许多移动消费设备的预期寿命比家用电器购买者的需求要短得多。

 

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图2.在现代冰箱的许多地方,传感器和执行机构需要适当的电路保护。

识别漏洞

各种各样的冰箱和冷柜元件易受电气威胁,并且可以从合适类型的电路保护中受益。 所需的具体保护技术将取决于存在的特定电气威胁和受保护的元件。 这些包括:

1.传感器(例如,接近度,温度,湿度)

2.电机和执行机构(如制冰机、门、风扇)

3.用户界面(例如,触摸屏和显示器)

4.摄像头

5. LED照明

6.交流电源输入

特定的电气威胁和解决方案

传感器保护

温度传感器通常是非常坚固的器件,但今天的制冷系统比过去有更多的温度传感器。一些现代设计可以有八个或更多的温度传感器来监测不同的隔间。由于增加了长信号线和需要计算机控制,这增加了电路保护设计的复杂性。

其他类型的传感器,如开关传感器和压力传感器,通常也位于远离控制板的位置,要求信号线可能长达一米。

在这些较长距离上保持信号完整性至关重要。 长信号线可以充当天线,这可能无意中将过多的电噪声添加到信号中。 反过来,这可能导致错误的传感器或控制读数。 这是第一个设计考虑因素; 因此,必须确保信号保持足够高并且浪涌保持低于信号处理元件的损坏阈值。

第二个设计考虑因素是感应电压浪涌,这是另一个可以通过长信号线放大的漏洞。

·威胁:诱发浪涌。考虑一条靠近压缩机或电源线的信号线,这可能导致线路上的感应浪涌,从而损坏控制板上的器件或传感器上的器件。一些传感器解决方案比其他解决方案更强大;例如,基于簧片技术的磁性传感器在应用中比某些固态选项的表现更好;同样,对于温度传感器,负温度系数(NTC)热敏电阻或聚合物正温度系数(PPTC)等器件来说,可能比某些半导体替代品更为坚固。

·技术解决方案:设计人员通常采用多层压敏电阻(MLV)或瞬态电压抑制(TVS)二极管来实现电路保护。

·电路中的位置:保护器件可以位于控制单元的印刷电路板上或附近,也可以位于线路的传感器端。通常,控制板上的元件比传感器更敏感,因此至少在控制板上添加保护器件。

电机保护

·威胁:过热。 例如,制冰机可能会停转,使电机过热并导致其失效。 这种性质的保护通常用于车辆,车窗升降电动机或类似应用中的座椅电动机。

·技术解决方案:最简单的解决方案是添加PPTC器件。 这些可自动复位的类似熔断器的器件可在高温下快速打开。 温度传感器是一种替代解决方案,但这需要智能控制。

·选择考虑因素:应根据电机的工作电流选择保护器件,并将其置于产生热量的电机上。

用户界面保护

触摸屏,摄像头,触摸面板和控制装置也需要仔细考虑所需的电路保护水平; 便携式电子设备工程实践是一个很好的起点。

1.威胁:静电放电。Wi-Fi、蓝牙和ZigBee系统都容易受到静电放电的影响。静电放电的风险比许多设计人员意识到的要大。如前所述,仅仅在铺有地毯的地板上行走就能产生10千伏或更多的电压。因此,设计工程师可能没有充分规定防静电放电保护。假设指定的触摸屏模块包含足够的静电放电保护是不安全的。

2.技术解决方案:聚合物静电放电抑制器和固态静电放电保护装置是在能量到达敏感芯片组之前抑制能量的最佳选择。

3.选择考虑:此选择需要权衡一些工程因素:例如,对于天线,聚合物ESD抑制器将具有较小的电容,否则可能会截断信号。 然而,当可用空间非常有限并且需要多个器件时,二极管阵列可能是优选的。

适当的机械设计可以显著降低静电放电的风险,允许设计人员在某些情况下放弃静电放电保护装置。这些装置包括专门的元件,保护电路不受静电放电(ESD)影响,从而避免故障。另一方面,做一些机械上的改变(例如对垫圈)可能比增加一个防静电保护装置更昂贵。

在测试用户界面时,请测试适用于智能手机和平板电脑等消费类电子产品的行业标准。 配备无线通信功能的设备的相关标准包括:

·IEC 60335系列 - 家用电器的一般安全

·IEC 60730系列 - 自动电气控制

·IEC 60950系列 - 信息技术设备(ITE)

·IEC 62368系列 - ITE,A / V和通信设备

LED保护

·威胁:电压浪涌(过电压)。

·技术解决方案:LED驱动器上的TVS二极管。在驱动器电路上具有基本浪涌保护的LED照明元件通常足以在正常的居住环境中提供保护。另一方面,LED驱动器是一种更敏感的电子器件,它可能会因感应引起的电压浪涌而损坏。TVS二极管通常用在驱动器设备上游的电路板上,以提供浪涌保护。

交流电源线输入保护

1.威胁:过电流和过电压。

2.技术解决方案:这是最“经典”的保护点,通常通过熔断器进行过流保护,通过金属氧化物压敏电阻(MOV)装置进行过电压保护。在这个设计点,每次都必须检查是否符合适用的国家和国际安全法规(如UL或IEC)。

总结

随着当今冰箱和冰柜的复杂性和功能的增加,对有效电路保护的需求也在增加。一旦电气设计人员了解了电气威胁及其相关的技术解决方案,就可以做很多事情来增强他们设计的稳健性,并确保他们提供长期积极的客户体验。

作者:Littelfuse营销与战略副总裁Boris Golubovic博士

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