基于智能家居控制电路弱电保护电路设计

张有瑞

摘 要：随着社会经济的快速发展，计算机技术和物联网技术的进步，各种智能家居出现了。随着智能家居的普及，智慧社区的概念也被提了出来。在未来，各家各户的家具设备都能够与互联网连接，实现监测和远程控制。而智能家居上应用广泛、无所不在的弱电控制器是实现智能家居的重要部件，需要引起我们的重视。本文将对智能家居上的弱电控制器的保护电路设计进行深入的分析和研究。

关键词：智能家居；弱电保护；电流控制

一、前言

目前智能家居上广泛使用的弱电控制器或者通信模块的电源线容易受到220V电源的影响，严重的话可能会导致后端芯片损坏。传统的应对方法有浪涌保护器、屏蔽线等，但是这些应对方法都不能彻底的解决问题。为了克服这个问题，我们需要设计一个低压保护电路，能够保护智能家居控制系统的后端控制器，让控制器能够经受住直流过载和交流干扰。

二、方案设计和器件选择

弱电保护要从两个方向入手，一个是对过流的保护，一个是对过压的保护。这两个问题是相对独立的，需要进行分别设计。一般来说，弱电保护分为对5V、12V、24V和36V电路的保护，本文只以5V电路的保护为例子。

弱电保护关键的部分在于保护后端的元器件，保护元器件可以使用TVS管、PTC热敏电阻或者自恢复保险丝。其中，自恢复保险丝是使用最为广泛的。如果是使用TVS管，那么如何選择合适的TVS管也是一个问题。

选择TVS管的具体步骤如下。首先，要确定要保护的电源的直流电压。如果不是直流电而是交流电，还要算出最大值。第二，步骤一计算出来的电压值不能小于TVS的工作电压。第三要确定TVS的峰值脉冲功率能够有效的抑制干扰冒充。要做到这一点，首先要计算出干扰脉冲的波形和持续时间。第四，TVS的最大钳位电压要比电路最大电压低。第五，确定双向TVS用于交流电的场合。第六，根据浪涌电流确定功率。功率越大越好[1]。

在完成了保护元器件的选择之后，可以进行交流干扰测试，综合考虑，计算最大钳位电压和击穿电压的大小。交流电在实验中作为感染信号，所以异常输入的交流电信号是被抑制的对象。如果选用了热敏电阻，那么电阻将发热，产生分压作用，结合TVS管保护后续工作电路。

三、5V硬件保护电路设计

如果使用自恢复保险丝来进行5V硬件保护电路的设计，应该考虑到电路过流对自恢复保险丝的影响。保险丝在过量的电流中温度升高，相应的电阻也变大了。根据分压原理，输出端断路，这样就能够有效的保护电路。在这个过程中TVSDE作用是当两端收到瞬间到来的冲击时能快速降低两端的阻抗，吸收到能量，钳制住两边的电压，保护后端元器件面授雷击和浪涌的伤害[2]。

四、测试和测试结果

为了验证各种保护措施的效果，我们将进行弱电电路保护电路测试。不同的测试使用不同的材料和保护方法。在测试中，使用单向的TVS管或者是SMBJ6.5CA型号的TVS管都可以。在进行过流和过压测试中，热敏电阻能够起到的作用很小，PTC起到一个限流的作用。如果超过了PTC管的最大耐受电流，那么阻值会提高，然后对电流进行限制。

与在过流实验中不同，热敏电阻在过压测试中体现出了比较好的保护能力，电阻的提高呈指数提升。交流电压超过最大值之后，热敏电阻会立刻断路，与TVS共同保护后端元器件[3]。

（一）试验中直流过压测试的实验

本次实验使用SMBJ6.5CA型号的TVS管来进行测试，这种芯片的理论钳位电压是11.3V，根据测试实际上是8.3V。实验数据详情请看表1。

根据表一我们可以清楚的看到，当输入电压超过了8.28的峰值之后，输出的电压不在上涨，而是始终保持着8.28的最高输出，这表示保护装置起了作用，可以保护后端元器件免受过压的损害。

（二）试验中交流干扰测试的实验

为了测试弱电抗干扰能力，我们将在这一次实验中在具体的直流输出电源中加入交流信号，作为干扰的来源。在这次实验中，与上一次实验的单向TVS管不同，TVS管要选用双向的，使用脉冲群抗干扰发生器、万用表和直流稳压源等仪器对TVS管的保护功能进行测试。实验分为三组，每组之间有两分钟的间隔时间。三次实验输入的直流电压分别是2.3V，3.3V和5V。在电路中接入抗干扰装置，然后使用万用表来对输出端的电压进行测试。

在加入了交流电干扰信号之后，输出的电压始终在变化，我们没有办法得到一个定值，只能划定一个区间。输入2.3V电压之后，在引入250V的干扰电压，得到的结果在2.18V到2.31V之间。输入3.3V电压之后，仍然延续之前的干扰电压，得到的区间是2.98V到3.28V。在输入5V电压后，干扰电压不变，输出结果是4.97V到5.12V[4]。

（三）弱电保护电路具体应用

这些弱电保护装置具体应用到智能家居之中，常见的地方有可视对讲、网关和所有能够进行视频和音频输出的设备。这种设备的液晶屏是由弱电控制的，需要抗过流抗过压装置的保护。显示终端设备有220V和12V两种，一般下层电源是220VAC，然后输出12V，上层输入12V，然后输出需要的工作电压。在实际设计中，220VAC的比较常见。

五、结束语

智能家居控制电路弱电保护电路设计对于智能家居的发展有着非常重要的意义，只有做好了弱电保护才能避免过流和过压对电器造成的伤害。本文你首先介绍了弱电保护装置的方案设计和器件选择，然后阐述了5V硬件保护电路的设计思路，最后进行了一系列的测试来验证结果。（作者单位：吉林电视台）

参考文献：

[1] 陈崇辉.基于GSM和电力线载波的智能家居控制系统的研究与设计[D].华南理工大学，2011.

[2] 师振伟.基于ARM和ZigBee的智能家居无线终端控制系统的设计[D].西安工业大学，2013.

[3] 陈岳秋.基于电话网络的太阳能热水器远程智能控制系统的研究[D].湖南大学，2010.

[4] 魏海波.基于ARM和zigbee技术的智能家居灯光控制系统的设计与实现[D].江西科技师范大学，2014.