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开发具有鲁棒性的运动探测器不一定是一个移动的目标

2021-07-22 Ryan Sheahen,Littelfuse公司 阅读:
本文通过介绍可显著减少零件数量并提高产品性能和可靠性的红外线探测器组件,讨论了确保运动探测器设计对外界干扰具有鲁棒性的一些概念。

智能家居和建筑正受益于智能技术,使它们变得更加方便、安全和节能。 图 1 显示了适用于家庭和建筑物的各种产品。 这些产品可以由消费者在家中和楼宇管理人员自动监测和控制。4Jsednc

一种集方便、安全和节能于一身的产品是红外线运动探测器。红外线运动探测器感测某个区域的占用情况,然后可以启动照明、暖通空调系统或警报。如果运动探测器提供安全功能,则需要每周7天、每天24小时可靠运行。4Jsednc

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图1.在家庭和建筑物中实现安全、方便、高效能源管理的智能设备4Jsednc

被动红外技术以其可靠的性能和低廉的成本成为运动传感领域的主流技术。市场正经历超过13%的健康复合年增长率,预计20251.年将超过35亿美元。推动增长的因素包括:4Jsednc

  • 使用监控的住宅安全需求
  • 通过无线连接和物联网网络降低安装成本
  • 公共和商业部门正在采取的政府节能举措
  • 不断增长的市场为新的创新设计提供了机会

保护、控制和传感元件

由于被动红外运动探测器用于室内监测或室外监测,因此这些产品必须对环境干扰具有鲁棒性。如果探测器由交流线路供电,则它们必须能够承受在交流电源线上传播的电流过载和电压瞬变。除了电路保护外,有效的控制和可靠的传感性能对于拥有优质产品至关重要。4Jsednc

图2显示了一个红外运动探测器的例子,并指出了可增强产品性能和可靠性的推荐的保护、控制和传感元件。4Jsednc

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2.被动红外运动探测器示例,显示推荐的保护、控制和传感元件4Jsednc

在图3中,我们展示了一个被动红外运动探测器的方框图,并展示了推荐的保护、传感和控制元件应该放置在哪些电路中。我们将讨论每个模块中推荐的元件。4Jsednc

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图3.被动红外运动探测器的方框图,显示了推荐元件所在的电路4Jsednc

交流/直流电源级

交流/直流电源级为其它电路模块提供直流电源。该电路与交流电源线连接,并受到过电流浪涌和过电压瞬变的影响。过电压瞬变和电流浪涌可由雷击、电机开启和关闭引起的感应尖峰以及电源线电压变化产生的瞬变引起。4Jsednc

针对这些潜在的干扰,我们建议使用金属氧化物压敏电阻 (MOV) 作为交流/直流电源级板的第一道防线。 将 MOV 尽可能靠近电路上交流电压的入口,以最大限度地减少电路板上交流线路瞬变的传播路径。 选择具有以下特征的 MOV:4Jsednc

  • 安全吸收高达10 kA的峰值浪涌电流或150 J的脉冲能量,以保护下游电路免受雷击
  • 不会损坏下游电路的低钳位电压
  • 工作温度范围可确保元件在探测器指定的环境范围内正常工作(具有酚醛涂层的 MOV 版本可在高达 125 °C 的温度下安全工作)
  • 获得 UL 或 IEC 认证,可缩短国家认可标准实验室的认证时间

在交流/直流电源级的输出端,我们建议您使用瞬变抑制器(TVS)二极管进一步保护电源上的所有负载电路。TVS二极管将使各种负载电路中功率元件的瞬时应力降至最低。TVS二极管具有以下电路保护优势:4Jsednc

  • 吸收高达 600 W 的峰值脉冲功率或 100 A 的峰值浪涌电流
  • ESD 保护高达 30 kV 的空气放电或直接接触
  • 对瞬变的超快响应(低于1 ps)
  • 钳位电压低至 10 V 的版本
  • UL 或 IEC 元件认可

如图 4 所示,TVS 二极管可以是双向的,两个串联二极管在一个封装中,也可以是单向的,单个二极管。 除了它们的保护功能外,TVS 二极管消耗少量功率。 在正常、无干扰的操作中,元件消耗的电流低于 1 µA。 最后,TVS 二极管的表面贴装版本可用于节省印刷电路板空间。4Jsednc

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图 4. 用于防止 ESD 和其它电气瞬变的双向和单向 TVS 二极管4Jsednc

运动传感器和 MCU

被动红外探测器的主要元件是红外辐射传感器和微控制器单元。 请注意,我们提供完整的封装,包括传感器、镜头和微控制器单元(参见图 5)。 完整的套餐提供了:4Jsednc

  • 由于传感器直接连接到微控制器芯片,因此减少了设计的材料清单。
  • 包含检测和处理电子设备完整设计所需的所有电路的微控制器。微控制器包括CPU、RAM、定时器、比较器、A/D转换器、通信接口和传感器固件。
  • 两元或四元传感器与镜头相结合,可以为不同的视野提供多种选择。
  • 与漏电流更高、产品寿命更短的电解电容器的典型用途相比,设计允许使用成本更低、体积更小的陶瓷电容器
  • 先进的运动探测器算法,提供灵敏度、范围和检测管理领域
  • 微控制器的灵活性,允许实现用户定义的应用功能

为节省电源,未检测到运动时,请查找具有低功耗模式的组件。图6显示了一个红外运动探测器包的示例。集成封装与较少的元件和无电解电容器的组合提高了整体产品可靠性,节省了印刷电路板空间,并降低了成本。4Jsednc

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图 5. 集合了镜头、传感器和微控制器组件的方框图4Jsednc

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图 6. 镜头-传感器-微控制器红外运动检测器组件示例。 该组件来自 Zilog。 镜头和传感器位于电路板的顶部。 微控制器位于传感器下方。4Jsednc

报警

当红外传感器检测到适当的运动量时,报警电路激活。该电路通常会驱动闪烁的LED灯或LED灯和扬声器的组合。报警电路需要一个控制部件来给外部设备供电。考虑一下簧片继电器或固态继电器,这两种继电器都将提供高功率驱动器与低功率逻辑电路的电流隔离。固态继电器为输出驱动触点提供更长的寿命,而簧片继电器则提供更低的功耗。4Jsednc

簧片继电器采用紧凑型单列直插式封装。 您还可以获得带有内置反电动势抑制二极管的簧片继电器,以保护线圈驱动电路,并带有磁屏蔽选项,以防止线圈 EMI 进入控制电路。 此外,簧片继电器触点的寿命比传统机电继电器更长,并且相对不受大范围环境温度的影响。4Jsednc

固态继电器在输入 LED 和输出光电探测器晶体管之间进行光耦合控制。 固态继电器在输入和输出之间可以有高达 1500 Vrms 的隔离。 许多设计用通过在零电压交叉处启动开关的逻辑来消除 EMI/RF 生成。 固态继电器的版本可以具有低于 1 µA 的低断态输出泄漏电流,以最大限度地降低功耗。 它们采用节省空间的表面贴装封装。4Jsednc

您选择的驱动元件将取决于确保触点或输出具有足够的驱动能力来满足将要使用的输出类型。 尺寸、功耗和成本将是您在选择驱动器元件时需要考虑的其它因素。4Jsednc

被动红外运动探测器的安全标准

表1列出了您的设计需要遵循的关键标准,以便能够通过认证并获得市场认可。作为开发项目的一部分,遵守这些标准将降低认证成本并缩短认证时间。符合IEC标准将允许您的产品在全球所有地区销售。4Jsednc

表1.管理被动红外运动探测器的安全和最低操作要求的标准4Jsednc

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稳健、可靠的设计可以具有较少的元件数量和较低的开发成本

对于红外探测器的设计,稳健的设计只需要几个保护元件。您可以利用镜头/传感器/微控制器封装来减少元件数量并最大限度地提高产品可靠性。确保将标准遵从性作为开发项目的一个重要元素,以节省认证时间和成本。我们建议您利用制造商的应用专业知识来帮助节省保护和控制组件的选择时间,并节省大量的设计时间。制造商还可以就设计适用的标准提供指导,并就如何确保合规性提供指导。这些建议将帮助您实现稳健、可靠的设计,从而减少现场故障,并获得更具成本效益和利润的产品。4Jsednc

参考文献

1.) Occupancy Sensor Market. Markets and Markets. July 2020.4Jsednc

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