作者：Ryan Sheahen, Littelfuse公司
本文通過介紹可顯著減少零件數量并提高產品性能和可靠性的紅外線探測器組件，討論了確保運動探測器設計對外界干擾具有魯棒性的一些概念。
智能家居和建筑正受益于智能技術，使它們變得更加方便、安全和節能。 圖 1 顯示了適用于家庭和建筑物的各種產品。 這些產品可以由消費者在家中和樓宇管理人員自動監測和控制。
一種集方便、安全和節能于一身的產品是紅外線運動探測器。紅外線運動探測器感測某個區域的占用情況，然后可以啟動照明、暖通空調系統或警報。如果運動探測器提供安全功能，則需要每周7天、每天24小時可靠運行。
被動紅外技術以其可靠的性能和低廉的成本成為運動傳感領域的主流技術。市場正經歷超過13%的健康復合年增長率，預計20251.年將超過35億美元。推動增長的因素包括：
使用監控的住宅安全需求
通過無線連接和物聯網網絡降低安裝成本
公共和商業部門正在采取的政府節能舉措
不斷增長的市場為新的創新設計提供了機會
圖2顯示了一個紅外運動探測器的例子，并指出了可增強產品性能和可靠性的推薦的保護、控制和傳感元件。
圖2.被動紅外運動探測器示例，顯示推薦的保護、控制和傳感元件
在圖3中，我們展示了一個被動紅外運動探測器的方框圖，并展示了推薦的保護、傳感和控制元件應該放置在哪些電路中。我們將討論每個模塊中推薦的元件。
圖3.被動紅外運動探測器的方框圖，顯示了推薦元件所在的電路
交流/直流電源級為其它電路模塊提供直流電源。該電路與交流電源線連接，并受到過電流浪涌和過電壓瞬變的影響。過電壓瞬變和電流浪涌可由雷擊、電機開啟和關閉引起的感應尖峰以及電源線電壓變化產生的瞬變引起。
針對這些潛在的干擾，我們建議使用金屬氧化物壓敏電阻 (MOV) 作為交流/直流電源級板的第一道防線。 將 MOV 盡可能靠近電路上交流電壓的入口，以最大限度地減少電路板上交流線路瞬變的傳播路徑。 選擇具有以下特征的 MOV：
安全吸收高達10 kA的峰值浪涌電流或150 J的脈沖能量，以保護下游電路受雷擊
不會損壞下游電路的低鉗位電壓
工作溫度范圍可確保元件在探測器指定的環境范圍內正常工作.
（具有酚醛涂層的 MOV 版本可在高達 125 °C 的溫度下安全工作）
獲得 UL 或 IEC 認證，可縮短國家認可標準實驗室的認證時間
在交流/直流電源級的輸出端，我們建議您使用瞬變抑制器(TVS)二極管進一步保護電源上的所有負載電路。TVS二極管將使各種負載電路中功率元件的瞬時應力降至最低。TVS二極管具有以下電路保護優勢：
吸收高達 600 W 的峰值脈沖功率或 100 A 的峰值浪涌電流
ESD 保護高達 30 kV 的空氣放電或直接接觸
對瞬變的超快響應(低于1 ps)
鉗位電壓低至 10 V 的版本
UL 或 IEC 元件認可
如圖 4 所示，TVS 二極管可以是雙向的，兩個串聯二極管在一個封裝中，也可以是單向的，單個二極管。 除了它們的保護功能外，TVS 二極管消耗少量功率。 在正常、無干擾的操作中，元件消耗的電流低于 1 μA。 最后，TVS 二極管的表面貼裝版本可用于節省印刷電路板空間。
圖 4. 用于防止 ESD 和其它電氣瞬變的雙向和單向 TVS 二極管
被動紅外探測器的主要元件是紅外輻射傳感器和微控制器單元。 請注意，我們提供完整的封裝，包括傳感器、鏡頭和微控制器單元（參見圖 5）。 完整的套餐提供了：
由于傳感器直接連接到微控制器芯片，因此減少了設計的材料清單。
包含檢測和處理電子設備完整設計所需的所有電路的微控制器。微控制器包括CPU、RAM、定時器、比較器、A/D轉換器、通信接口和傳感器固件。
兩元或四元傳感器與鏡頭相結合，可以為不同的視野提供多種選擇。
與漏電流更高、產品壽命更短的電解電容器的典型用途相比，設計允許使用成本更低、體積更小的陶瓷電容器
先進的運動探測器算法，提供靈敏度、范圍和檢測管理領域
微控制器的靈活性，允許實現用戶定義的應用功能
為節省電源，未檢測到運動時，請查找具有低功耗模式的組件。圖6顯示了一個紅外運動探測器包的示例。集成封裝與較少的元件和無電解電容器的組合提高了整體產品可靠性，節省了印刷電路板空間，并降低了成本。
圖 5. 集合了鏡頭、傳感器和微控制器組件的方框圖
圖 6. 鏡頭-傳感器-微控制器紅外運動檢測器組件示例。 該組件來自 Zilog。 鏡頭和傳感器位于電路板的頂部。 微控制器位于傳感器下方。
當紅外傳感器檢測到適當的運動量時，報警電路激活。該電路通常會驅動閃爍的LED燈或LED燈和揚聲器的組合。報警電路需要一個控制部件來給外部設備供電。考慮一下簧片繼電器或固態繼電器，這兩種繼電器都將提供高功率驅動器與低功率邏輯電路的電流隔離。固態繼電器為輸出驅動觸點提供更長的壽命，而簧片繼電器則提供更低的功耗。
簧片繼電器采用緊湊型單列直插式封裝。 您還可以獲得帶有內置反電動勢抑制二極管的簧片繼電器，以保護線圈驅動電路，并帶有磁屏蔽選項，以防止線圈 EMI 進入控制電路。 此外，簧片繼電器觸點的壽命比傳統機電繼電器更長，并且相對不受大范圍環境溫度的影響。
固態繼電器在輸入 LED 和輸出光電探測器晶體管之間進行光耦合控制。 固態繼電器在輸入和輸出之間可以有高達 1500 Vrms 的隔離。 許多設計用通過在零電壓交叉處啟動開關的邏輯來消除 EMI/RF 生成。 固態繼電器的版本可以具有低于 1 μA 的低斷態輸出泄漏電流，以最大限度地降低功耗。 它們采用節省空間的表面貼裝封裝。
您選擇的驅動元件將取決于確保觸點或輸出具有足夠的驅動能力來滿足將要使用的輸出類型。 尺寸、功耗和成本將是您在選擇驅動器元件時需要考慮的其它因素。
表1列出了您的設計需要遵循的關鍵標準，以便能夠通過認證并獲得市場認可。作為開發項目的一部分，遵守這些標準將降低認證成本并縮短認證時間。符合IEC標準將允許您的產品在全球所有地區銷售。
表1.管理被動紅外運動探測器的安全和最低操作要求的標準
對于紅外探測器的設計，穩健的設計只需要幾個保護元件。您可以利用鏡頭/傳感器/微控制器封裝來減少元件數量并最大限度地提高產品可靠性。確保將標準遵從性作為開發項目的一個重要元素，以節省認證時間和成本。我們建議您利用制造商的應用專業知識來幫助節省保護和控制組件的選擇時間，并節省大量的設計時間。制造商還可以就設計適用的標準提供指導，并就如何確保合規性提供指導。這些建議將幫助您實現穩健、可靠的設計，從而減少現場故障，并獲得更具成本效益和利潤的產品。
1.) Occupancy Sensor Market. Markets and Markets. July 2020.
原文刊于EDN 電子技術設計
請點擊下方“閱讀原文”了解更多
END
