スマートホーム用のインテリジェント電源コンセントへの安全性と信頼性の設計

この記事では、過負荷による敏感な回路の損傷を防ぎ、デバイスの効率を最大化する、電源コンセント設計の保護および低電力制御コンポーネントに関する推奨事項を設計者に提供します。

無線通信、インターネット、および電子回路の進歩により、インテリジェントデバイスの開発が可能になりました。モノのインターネット（IoT）テクノロジーを使用して、非インテリジェントデバイスはスマートデバイスに進化しています。電力制御、セキュリティ、環境制御、および娯楽を提供するスマートデバイスが家庭で一般的になりつつあります。現在スマートバージョンを備えている非インテリジェント電力制御デバイスの例には、調光器、電源コンセント、漏電遮断器（GFCI）/漏電遮断器（AFCI）が含まれます。

非インテリジェントデバイスは手動でのみ制御するか、常に電源を入れることができますが、スマートデバイスには、自動制御とステータスフィードバックを可能にする電子機器とファームウェアがあります。 IoTドメインの構成要素であるスマートデバイスは、パーソナルコンピューター、タブレット、スマートフォン、または仮想アシスタントからの制御に応答します。これらの製品は、セルラー、Wi-Fi、Bluetoothなどのワイヤレス通信プロトコルを使用してスマートデバイスにアクセスします。

安全性と信頼性のための設計

設計者にとっての課題は、これらの新しいスマートデバイスの安全性と堅牢性を確保して、消費者がサービスを中断するリスクなしに高い信頼性を確保できるようにすることです。したがって、デバイスには、雷サージ、誘導電力サージ、静電放電（ESD）、電気的高速過渡現象などのさまざまな環境ハザードにさらされた場合でも動作を維持するために、過電圧保護と過電流保護が必要です。この記事では、過負荷による敏感な回路の損傷を防ぎ、デバイスの効率を最大化する保護および低電力制御コンポーネントに関する推奨事項を設計者に提供します。

インテリジェント調光器と電源コンセントの保護

調光器と電源コンセントはAC電源ラインに接続されており、ACラインで発生する可能性のある過電流状態と過渡過電圧状態の両方の影響を受けます。落雷、負荷サージによる電力線電圧の変動、モーターのオンまたはオフによる誘導過渡現象、静電放電（ESD）などの過渡現象は、スマート調光器とスマート電源コンセントを制御する電子回路に損傷を与える可能性があります。

図1は、電子回路を保護し、調光器とスマート電源コンセントを効率的に制御するために推奨される保護および制御コンポーネントを示しています。

図1。 スマート調光器とスマート電源コンセントに推奨される保護および制御コンポーネント。

スマートライトディマーの保護および制御コンポーネント

調光器は、家庭内のランプの照明を制御するための一般的なアイテムです。スマート調光器は、ランプまたはライトのセットの正確なリモートコントロールまたはタイミング制御を可能にします。図2に、電子調光スイッチのブロック図を示し、推奨される保護および制御コンポーネントが使用されている特定の回路ブロックを示します。

図2。 スマート調光器のブロック図。回路ブロックに推奨される安全および制御コンポーネントのオプションは、ブロック図の隣のリストに示されています。

AC入力保護回路

AC入力保護回路ブロックは、AC主電源ラインと直接接続し、過電流保護と過渡電圧保護の両方を必要とします。設計者は、下流の回路ブロックに損傷を与える過電流から保護するためにブロックを溶断する必要があります。スイッチング電源などの突入電流による迷惑なシャットダウンを回避するサイズのスローブローヒューズをお勧めします。ヒューズの定格電圧は、公称ACライン電圧を超えている必要があります。

ヒューズの重要なパラメータは、その遮断定格です。選択したヒューズが大きな過負荷時に溶けたり気化したりしないことを確認してください。電力線の最大電流容量を見積もり、潜在的に利用可能な電流の見積もりを超える遮断定格のヒューズを選択します。ヒューズの定格は、数百キロアンペア（kA）の数十になります。

AC入力保護回路をACラインの過渡現象から保護するために、金属酸化バリスタ（MOV）を使用することをお勧めします。 MOVは、過渡電圧からの最大電圧に耐えることができ、過渡電圧による電流サージを吸収することができます。 10,000Aの電流パルスと400Jのエネルギーを過渡現象から吸収するMOVを検討することをお勧めします。トランジェントが回路に伝播するのを防ぐために、MOVをPCボードの入力にできるだけ近づけて配置することをお勧めします。

AC入力保護回路の2次側では、過渡電圧抑制ダイオード（TVS）を使用して下流の2次回路を保護します。回路が正と負の両方の過渡現象にさらされる可能性に応じて、単方向ダイオードまたは双方向ダイオードのいずれかを選択できます。 TVSダイオードは、1ps未満で非常に迅速にトランジェントに応答します。それらは1500Wのピークパルス電力を吸収でき、低電圧電子回路を保護するために低いクランプ電圧を持っています。

スイッチ回路

スイッチ回路は、ランプへの出力を制御します。消費電力を最小限に抑えると、回路の効率が最大になり、調光器での熱の蓄積が最小限に抑えられます。保持電流の少ないトライアック（サイリスタ）の使用をお勧めします。

トライアックは、10mA未満の保持電流で利用できます。また、100°Cを超える接合部温度でも安全に動作します。効率をさらに向上させるには、トライアックへの電力を制御するMOSFETを検討してください。 RDS（on）抵抗が0.5Ω未満でスイッチング時間が速いパワーMOSFETを選択して、MOSFETがオン状態のときのデバイス遷移中の電力損失と消費電力を削減します。

シングルチップゲートドライバを使用して、MOSFETを駆動する管理を簡素化できます。ゲートドライバチップには、ハイサイド、ローサイドパワーMOSFETを制御し、それらのスイッチング速度を最大化するための2つのドライブアンプを含めることができます。 MOSFETを駆動するのに十分な電流容量を持つゲートドライブを選択します。最後に、AC入力保護回路に推奨されるMOVと同様の量に耐えることができるMOVを使用して、スイッチ回路に伝播した線間電圧サージからこの回路を保護します。

無線通信回路

無線通信回路は、調光器を遠隔操作するための無線LAN（Wi-Fi）プロトコルを使用して、PC、タブレットコンピューター、またはスマートフォンと通信します。この回路は外部環境とインターフェースし、主にスマート調光器のユーザーによって引き起こされるESDの影響を受けます。

無線通信回路を保護するために、双方向TVSダイオードアレイ（図3に示す）またはポリマーESD保護デバイスのいずれかをお勧めします。

図3。 2つの連続したダイオードを備えた双方向TVSダイオードアレイ

どちらのデバイスも、1 pF未満の静電容量による回路性能への影響を最小限に抑えて、I / Oポートを保護できます。また、両方のコンポーネントには、限られたPCボードスペースを節約するために表面実装パッケージがあります。さらに、1 µA未満のリーク電流が流れるため、回路の電力負荷が軽減されます。最も重要なことは、どちらのデバイスもIEC 61000-4-2ESD規格に準拠した±12kVのESDストライクに耐えることです。

ローカルスイッチ

ローカルスイッチを使用すると、ユーザーは調光器の出力電力を手動で制御できます。無線通信回路と同様に、この回路は外部環境とインターフェースし、ESDストライキを受ける可能性が高くなります。この回路には、無線通信回路と同じ保護コンポーネントが必要です。ここでも、ダイオードアレイまたはポリマーESD保護デバイスのいずれかを選択します。

スマートコンセントの保護および制御コンポーネント

図4は、スマートコンセントの回路ブロックと、保護と効率的な制御を提供する推奨コンポーネントを示しています。スマート調光スイッチと同様に、スマートコンセントには、AC入力ブロック、AC-DC変換電源ブロック、無線通信回路、および手動スイッチ制御回路があります。

図4。 保護および制御コンポーネントが必要な場所を示すスマートコンセントのブロック図。この表に、推奨されるコンポーネントオプションを示します。

AC入力の保護と整流

AC入力および保護回路はAC主電源ラインに接続され、調光スイッチのAC入力保護ブロックと同様に、電力線で誘導および伝播される可能性のある大きな過電流サージおよび高過電圧過渡現象の影響を受けます。したがって、スマートコンセント回路のAC入力には、調光器入力回路に推奨される特性と同じ特性を持つヒューズ、MOV、およびTVSダイオードが必要です。

電源

スマートコンセントのスペースと効率に関する考慮事項は、制御回路に必要なDC電圧を生成するためにスイッチング電源を使用することを示唆しています。高周波設計で効率を最大化することをお勧めします。回路にショットキー整流ダイオードを使用することを検討してください。これらのデバイスは、通常0.5 V未満の低い順方向電圧降下を持ち、高いスイッチング周波数で動作できるため、小型で省スペースの設計を高効率で動作させることができます。

無線通信とローカルオン/オフスイッチ

スマート調光スイッチと同様に、ワイヤレス通信とローカルのオン/オフスイッチ回路は外部環境にさらされ、ESDストライキの影響を受けます。 TVSダイオードアレイまたはポリマーESDサプレッサーのいずれかを使用して、これらの回路をESDから保護します。

GFCI、AFCIコンセント、およびUSB電源コンセントの保護

GFCIコンセントは、湿気のある環境から個人を保護するために1970年代から使用されています。 National ElectricCodeとCanadianElectrical Codeは、それぞれ2014年と2015年以降、住宅施設と住宅の新築にAFCIを義務付けています。 GFCIは、ホットラインに供給された負荷電流がニュートラルラインに戻らないことを検知します。

電流の不均衡が事前に決定されたトリップレベルを超えると、GFCIは感電の危険を防ぐために、コンセントから電力を取り除きます。 AFCIはアーク状態を検出し、火災を防ぐためにコンセントから電源を切ります。図5は、GFCI、AFCI、およびUSB充電ポート付きの電源コンセントに推奨される保護および制御コンポーネントを示しています。

図5。 GFCI、AFCI、およびUSB充電コンセントに推奨される保護および制御コンポーネント。

図6に、GFCIとAFCIの回路ブロックを示します。 GFCIには電流不均衡検出回路があり、AFCIにはアーク検出回路があります。スマート調光器とスマートコンセントと同様に、これら2つのデバイスはAC主電源ラインに接続し、過電流および過渡電圧保護を必要とします。

図6。 GFCIまたはAFCIのブロック図。隣接する表に、推奨される保護および制御コンポーネントを示します。

発射回路

これらの各デバイスには、コンセントの電力を遮断する可能性のあるリレーを制御するための回路が必要です。それが発火回路です。電気機械式リレーの制御にはSCRの使用を検討することをお勧めします。 SCRを使用すると、効率的でコンパクトなシンプルな制御回路を設計できます。 SCRは、100 Aもの高電流サージに耐え、600 Vを超える電流をサポートできる堅牢なコンポーネントです。リレーコイルの消費電力が少ない場合は、コンポーネントの表面実装バージョンを使用できます。

USBコンセント

USBコンセントは、USBケーブルでポータブルデバイスに電力を供給したり再充電したりするのに便利です。コンセントがDC充電電流を供給するため、ユーザーはUSB電源アダプターブロックを必要としません。 USBコンセントには、AC主電源ラインと接続する他のインテリジェントデバイスと同じ溶断および過渡電圧保護が必要です。図7に、USB充電ポートを備えたUSB電源コンセントのブロック図を示します。

図7。 USBコンセントのブロック図。推奨される保護および制御コンポーネントは、隣接リストに示されています。

USBコンセントのスイッチ回路は、コンセントにDC出力を提供します。この回路の効率を最大化するには、低順方向電圧のショットキーダイオードを使用し、高周波スイッチャーの設計を使用します。さらに、DC電源制御回路の効率をさらに向上させるために、パワーMOSFETと統合ゲートドライバの使用を検討してください。

安全基準への準拠

これらのスマートコンセントはそれぞれAC電力線に接続されているため、Underwriters Laboratories（UL）およびInternational Electrotechnical Commission（IEC）によって公布された該当する国内および国際安全基準に準拠する必要があります。さまざまなスマートアウトレットに適用可能な標準を図8に示し、表1で説明します。

図8。 調光器と電源コンセントに適用される安全性とESDの基準。

表1.電源コンセントに適用される国内および国際規格とコンプライアンスのリスト

設計プロジェクト中に保護コンポーネントを費用効果の高い方法で設計できるように、これらの規格の要件を製品定義に含めることをお勧めします。 AC電力線経路にあるUL認定の保護コンポーネントを選択してください。標準要件に基づいた設計とテスト、およびUL認定コンポーネントの使用の組み合わせにより、認証時間が短縮され、認証の失敗が回避されます。

保護および制御コンポーネントの価値

IoTテクノロジーの進歩は、住宅のセキュリティ、環境制御、利便性を向上させるスマートアウトレットなどの新製品に組み込まれています。これらのインテリジェントな製品の採用を成功させるには、堅牢で信頼性が高く、安全である必要があります。設計者は、設計に過電流保護、過電圧保護、および低電力消費の制御コンポーネントを確保することにより、堅牢で安全な製品を確保できます。

設計者は、回路構成、安全基準の知識、およびコンポーネントの選択に関する推奨事項について設計者を支援できるリテルヒューズなど、これらのコンポーネントのメーカーのアプリケーションの専門知識を活用することで、時間と労力を大幅に節約することもできます。あなたの努力は、信頼性、安全性、そして収益の成長で評判を得る製品になります。

追加のリソース

リテルヒューズの回路保護ソリューションの詳細については、次のドキュメントを参照してください。

• 融合学選択ガイド
• 回路保護製品選択ガイド
• 静電放電（ESD）抑制設計ガイド

または、アプリケーションスペシャリストによる設計支援については、リテルヒューズにお問い合わせください。

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