如何提高智能恒温器的可靠性和效率

　　智能恒温器已成为家庭、办公楼和零售设施的常用节能方法。自2018年以来，智能恒温器市场一直以22%的高复合年增长率增长。在如此高的增长下，制造商可以很容易地证明新车型的创新是合理的。未来的智能恒温器将提供广泛的信息，包括能源使用审计和暖通空调系统升级前后的能耗比较数据。

　　智能恒温器将采用更多技术，例如用于控制和数据通信的各种物联网接口。此外，这些设备将使用交流线路电源运行，并具有电池备用电源，以便在停电期间保持运行。

　　为了确保高度可靠的智能恒温器，设计工程师必须采用坚固的组件来保护恒温器免受潜在的破坏性外部威胁，例如电源线电流过载、电压瞬变和静电放电 （ESD） 冲击。在本文中，设计人员将学习如何保护其敏感的电子电路免受这些危害。有了这些信息，设计人员将满怀信心地开发出能够承受危险瞬变并高度坚固可靠的智能恒温器。

　　智能恒温器操作概述

　　智能恒温器可以执行多种功能。与任何恒温器一样，智能恒温器的主要功能是监控周围环境中的温度，并在必要时激活HVAC系统以保持恒温器设定点温度。使恒温器智能的功能包括：

　　传达暖通空调系统状态，

　　处理来自智能手机、PC 或平板电脑等远程设备的控制信息，

　　如果需要采取措施，提醒所有者或经理。

　　一些智能恒温器有一个电池组，用于在交流线路电源中断时备用电源。图 1 显示了一个智能恒温器示例。图像周围的框描述了其功能，并列出了推荐的保护、控制和传感技术，这些技术将提高智能恒温器的可靠性和效率。

　　图2显示了智能恒温器的详细框图。框图右侧的表格列出了保护电路块并实现高效控制和传感的推荐组件。以下段落描述了可能损坏电路的危险，以及高可靠性和效率所需的推荐保护、控制和传感组件。

　　

　　图2.智能恒温器框图

　　保护智能恒温器免受过载、瞬态和静电放电的影响

　　电源输入电路块

　　电源输入模块将来自 HVAC 系统的 24 VAC 输入转换为为所有其他电路模块供电的直流电压。尽管 HVAC 系统将恒温器的电源线交流电压降低到 24 VAC，但 24 VAC 线路仍然容易受到电源线过载电流和可能通过 HVAC 系统的电压瞬变的影响。

　　为保护电源输入免受持续电流过载的影响，请使用延时保险丝使保险丝能够承受电机打开和关闭引起的浪涌电流。延时保险丝将避免因浪涌电流而导致的误停机。微型轴向引线和表面贴装保险丝可用于低压电路，以节省宝贵的印刷电路板空间。

　　聚合物正温度系数 （PPTC） 可复位保险丝是标准一次性过载保险丝的替代方法。保险丝因过载电流发热而断开;但是，当温度低于阈值水平时，它会重置，并且在打开后不需要更换。

　　电力线上的雷击和大型电机在电源线上感应回电动势电压会导致破坏性的瞬态过载。这些电压可以达到kV水平。虽然HVAC系统可以防止这些过载，但一些能量可以通过HVAC电路传递到电源输入模块。使用瞬态电压抑制器（TVS）二极管箝位和吸收剩余瞬态电压及其能量。TVS二极管提供：

　　低于 1 ps 的超快响应时间

　　低钳位电压，保护敏感半导体

　　能够安全地吸收 400 W 的峰值脉冲功率

　　双向和单向配置

　　具有表面贴装外形规格的版本。

　　图3显示了双向和单向TVS二极管的符号。双向配置中显示的两个二极管使用阴极-阴极连接二极管。

　　

　　图3.双向TVS二极管连接阴极-阴极和单向TVS二极管

　　电池管理单元

　　电池管理单元确保所有电池单元均力为负载供电，并监控电池的充电状态。使用 TVS 二极管保护半导体控制电路免受电压瞬变和 ESD 的影响。考虑使用TVS二极管或多层压敏电阻（MLV）。这两种器件都可以提供非常低的钳位电压来保护低压半导体，并提供符合电磁兼容性标准IEC 61000-4-2的ESD保护。

　　设计人员应通过使用 PPTC 可复位保险丝来防止电池过度充电和电池过热情况。PPTC 保险丝的版本可以是表面贴装的 PC 板组件，也可以直接安装在电池组上，以快速检测过热情况。

　　输入/输出接口

　　智能恒温器可以有多个有线和无线接口。接口受到外部环境的危险，通常是ESD冲击。

　　对于 USB 接口，请使用 TVS 二极管进行 ESD 保护。查找：

　　通过空气或直接人体接触至少安全吸收 ±20 kV ESD

　　最大电容为 1 pF，可将发送和接收信号的失真降至最低

　　不超过 10 V 的低钳位电压

　　单向或双向二极管

　　漏电流低于 100 nA。

　　考虑使用 PPTC 可复位保险丝来保护 USB 接口免受电流过载的影响。寻找小型型号以节省 PC 板空间。

　　音频输入接口输出警报并具有声控输入。使用 TVS 二极管保护此接口的 I/O 线路。考虑每条线路使用单向或双向二极管。

　　输入用户界面提供数据输入面板。Zigbee无线通信接口从智能手机或平板电脑等设备传输数据并接收控制信息。两个接口都需要防止ESD冲击。提供至少10 kV双向能量吸收的TVS二极管阵列将安全地保护这两个接口。用于无线通信接口的TVS二极管的替代方案是聚合物ESD抑制器。聚合物ESD抑制器的电容非常低，通常约为0.25 pF，以最大限度地降低其对RF信号的影响，响应时间不到1 ns，典型漏电流低于10 nA。

　　商用智能恒温器中的RS-485有线M-Bus向外部系统提供数据。使用不对称TVS二极管阵列保护RS-485数据线上的-7 V和+12 V工作电压。此外，寻找高于 20 kV 的高 ESD 吸收。如图4所示，一个组件保护两条数据线。

　　

　　图4.用于吸收每条RS-485数据线上的电压瞬变和ESD的非对称TVS二极管阵列原理图

　　最后一个界面是显示屏，它至少显示温度设置和实际室温。TVS二极管（例如推荐用于电池管理单元或多层压敏电阻的二极管）可以保护显示电路。

　　高效控制和传感

　　考虑使用锁存继电器驱动器来控制智能恒温器电路模块的电源。为避免在切换过程中产生电磁干扰 （EMI），请寻找在交流线路电压通过 0 V 时切换的驱动器。此外，闭锁继电器在闭合接触状态下不会消耗功率，因此可节省功耗。

　　智能恒温器最关键的元件是温度传感器。考虑使用热敏电阻，负温度系数（NTC）元件。热敏电阻提供比其他温度传感器类型更好的精度，并检测-55至+ 220°C的宽温度范围。 使用密封热敏电阻以获得长期的可靠性和稳定性。小型表面贴装版本可节省印刷电路板空间并允许自动插入。

　　智能恒温器的适用安全标准

　　设计人员需要了解适用于智能恒温器的标准，表1列出了这些安全标准。不遵守适当的标准可能导致无法通过合规性认证测试、额外的开发成本和延迟推向市场。

　　

　　表 1.智能恒温器的安全标准

　　采用保护和长寿命组件设计，实现高可靠性

　　设计人员只需要少量组件即可保护智能恒温器并彻底提高其可靠性。成为电子设计各个方面的专家具有挑战性，因此设计人员可以利用制造商应用工程师在电路保护和高效控制方面的专业知识。他们可以在以下方面提供帮助：

　　经济高效的组件选择

　　关于遵守适用安全标准的指南

　　预一致性测试，以帮助在合规性测试之前识别问题（某些制造商提供的服务）。

　　使用推荐的保护、控制和传感组件将确保可靠的智能恒温器具有强大的外部危害保护，同时提供高效操作。

　　审核编辑：郭婷