スマートホームセキュリティアプリケーションの回路保護、制御、およびセンシング設計に関する考慮事項

この記事では、スマートホームセキュリティアプリケーションで回路を保護および制御するコンポーネント、特に有線および無線のセキュリティカメラと有線ドアベルカメラを保護するためのコンポーネントについて説明します。

IoTテクノロジーの進歩により、消費者にセキュリティ、利便性、エネルギー効率を提供するスマートホームセキュリティシステムの開発が可能になっています。新しいセンシング技術とワイヤレスLAN（Wi-Fi）などのワイヤレスプロトコルにより、セキュリティ機器、アクセス制御機器、アプライアンス、エネルギー管理機器、電源コンセント、照明、エンターテインメントシステムを監視および制御できるさまざまなデバイスが作成されました。図1は、スマートホームを可能にする幅広いIoTテクノロジーを示しています。

図1。 スマートホームテクノロジーの利点には、エンターテインメント、電化製品、アクセス、電力、エネルギーの制御、およびセキュリティが含まれます。

スマートホームセキュリティ市場はダイナミックな市場です。住宅用防犯カメラの出荷台数は、2018年の5400万台から2023年には1億2000万台に増加すると予想されています。これは、17％の実質的な複合年間成長率（CAGR）に相当します。この市場には革新と新製品の大きなチャンスがあります。

信頼性はセキュリティに等しい

スマートホームセキュリティ製品は、市場シェアを獲得するために信頼性が高い必要があります。より多くのベンダーが市場に参入し、製品の差別化が狭まるにつれて、製品の品質が消費者にとってより大きな決定要因になるでしょう。したがって、製品は過負荷や過渡現象に対して堅牢である必要があります。次の段落では、ホームセキュリティシステムの設計者に、回路を保護および制御するコンポーネントを使用および選択するための推奨事項を示します。次の製品を保護するためのコンポーネントが提示されます：

• 有線および無線の防犯カメラ
• 有線ドアベルカメラ
  

有線防犯カメラ

有線セキュリティカメラシステムは、通常、住宅周辺のエリアを監視するための固定式のセキュリティシステムです。図2は、有線のセキュリティカメラと、カメラを保護および制御するための推奨コンポーネントを示しています。これらのカメラはAC電源で動作し、AC電源で過負荷や過渡現象が伝播する可能性があります。さらに、外部環境へのすべての接続は、静電放電（ESD）の影響を受けます。

設計者は、これらの危険な状態による損傷からカメラ回路を保護する必要があります。図3に、有線セキュリティカメラのブロック図と、堅牢な製品を確保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ます。

図2。 有線セキュリティカメラの例と推奨される保護および制御コンポーネント

図3。 回路とその推奨される保護および制御コンポーネントを示す有線セキュリティカメラのブロック図。

電源アダプター

電源アダプタはAC電源ラインとインターフェイスし、電源ラインの電流サージや過渡電圧からの保護が必要です。過負荷保護用のヒューズ、過渡電流サージからの保護用の金属酸化物バリスタ（MOV）、および過渡電圧からの保護用の過渡電圧サプレッサー（TVS）ダイオードをお勧めします。これらの3つのコンポーネントは、設計の詳細に合わせて選択されたパラメータを使用して、電源アダプタが過負荷や過渡状態に対して堅牢であることを保証します。

スイッチング電源の突入電流によるヒューズの邪魔な開口部を避けるために、スローブローヒューズを選択してください。ただし、電源アダプタ回路の損傷を避けるために、数秒以内から200％の過負荷など、継続的な過負荷に迅速に対応するヒューズを選択してください。ヒューズを選択するときは、他の重要なパラメータを見落とさないでください。ヒューズの定格電圧が、電源装置に表示される最大線間電圧を超えていることを確認してください。また、遮断定格が、回路で発生すると予想される最悪の場合の電流過負荷よりも高いことを確認してください。

適切な遮断定格は、ACラインからの大きな過渡過負荷によるヒューズへの物理的損傷を回避します。電源のスペースは貴重なので、要件を満たす小さなヒューズを探してください。最後に、UL / IEC認定のヒューズを使用して、製品の安全コンプライアンス認定を簡素化および迅速化します。

たとえば、雷によって引き起こされる大規模で高エネルギーのサージの場合、電源の入力のできるだけ近くに配置された金属酸化物バリスタ（MOV）で電源を保護します。 MOVは、最大10 kAのサージ電流を吸収でき、500Jを超えるピークパルスエネルギーを吸収できます。 MOVは電力線に接触しているため、UL / IEC認定のコンポーネントを使用してください。

考慮したい3番目の保護要素は、過渡電圧からダウンストリーム回路を保護するための過渡電圧抑制器（TVS）ダイオードです。 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。トランジェントを抑制する場合、TVSダイオードは出力を低電圧にクランプして、敏感な回路を保護します。 TVSダイオードは、単方向バージョンまたは双方向バージョンのいずれかで利用可能であり、10Vまで低くすることができる広範囲のクランプ電圧を備えています。

DC入力ステージ

DC入力ステージは、制御ボード、モータードライブ、およびイメージセンサーインターフェイスに電力を供給するためにDC電圧を供給します。この回路には、電流過負荷保護と過渡電圧保護の両方をお勧めします。従来のヒューズまたはリセット可能な高分子正温度係数（PPTC）ヒューズのいずれかがオプションです。これら両方のタイプのヒューズの表面実装バージョンが利用可能であるため、最小限のPCBスペースを消費します。 TVSダイオードは、省スペースの表面実装パッケージでも入手可能であり、最大5000Wのピークパルス電力で過渡現象に耐えることができます。

コントロールボード

制御盤には、カメラ回路のインテリジェンスが含まれています。制御盤には、MCU、ビデオメモリストレージ、およびPoEプロトコルを使用してAC電力線を介して情報を送信する有線インターフェイス回路が含まれています。コントロールボードの2つの回路には、保護コンポーネントが必要です。これらの2つの回路は、有線インターフェースとメモリ回路です。

有線インターフェースは外部環境に接続し、電流過負荷と過渡電圧保護を備えている必要があります。 DC入力段と同様に、電流過負荷保護のために従来のヒューズまたはリセット可能なヒューズのいずれかを選択します。過渡電圧から保護するために、特別なコンポーネントであるTVSダイオードアレイをお勧めします。 TVSダイオードアレイは、PoE I / OラインをESDやその他の高電圧トランジェントから保護します。

図4は、±30kVのESDストライクに耐えるためにツェナーダイオードと組み合わせた双方向ダイオードのアレイを示しています。これらのダイオードの1pF /ポート容量は低く、POEプロトコルの送信および受信信号への影響を最小限に抑えます。図4に示すようなダイオードアレイ構成は、PCBスペースを最小限に抑える表面実装パッケージで利用できます。

図4。 複数のI / OポートのESD保護用に設計されたTVSダイオードアレイ

SDカードはカメラが取得したデータを保持します。この重要な回路を最大±30kVのESDから保護するために、TVSダイオードをお勧めします。 TVSダイオードは、消費電力を削減するために1 µA未満のリーク電流が低くなっています。

モータードライブ

モータードライブブロックには、動きを追跡するようにカメラを配置するパンおよびチルトモーター回路があります。この回路には、制御コンポーネントである光学的に絶縁されたソリッドステートスイッチをお勧めします。光絶縁は、モーターのノイズとトランジェントがパンとチルトの制御回路に結合して戻るのを防ぎます。ソリッドステートスイッチングは、モーターのよりスムーズな制御のためのバウンスのないスイッチングを提供します。モーターの起動時の過渡現象を最小限に抑えるために、ゼロ交差スイッチングを備えたソリッドステートスイッチを探してください。また、モーターの停止状態から保護するために、電流制限のあるスイッチを探してください。

ワイヤレス防犯カメラ

内部空間を監視するためのワイヤレス防犯カメラは小型で、どこにでも簡単に設置できます。ワイヤレスカメラの例については、図5を参照してください。図6に、ワイヤレスカメラのブロック図と、このデバイス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。

図5。 推奨される保護コンポーネントを備えたワイヤレスセキュリティカメラの例

図6。 ワイヤレスセキュリティカメラと推奨される保護およびセンシングコンポーネントのブロック図

アダプター

USBアダプターは、ワイヤレス防犯カメラの電源です。 USBアダプタはAC電源に接続するため、電流過負荷や過渡電圧から保護する必要があります。有線セキュリティカメラに電力を供給する電源アダプタと同様に、USBアダプタには、過電流保護用のヒューズ、落雷用のMOV、ESD保護用のTVSダイオードが必要です。

設計でUSBType-Cプロトコルを使用する場合、USB Type-C高密度コネクタでは、コネクタピン間の短絡を検出するために熱検出が必要です。 USB Type-C設計に準拠するように設計された熱検知素子は、ほこりや汚れが隣接するコネクタピンを短絡させた場合に、ケーブルやコネクタの損傷を防ぎます。 USBType-C規格を参照してください。 ² 温度上昇の原因となる問題が修正されると、検出素子は低抵抗でリセットされます。

バッテリーパック

バッテリーセルが短絡状態で故障して過熱した場合は、バッテリーパックの過電流状態を監視する必要があります。また、バッテリー管理ユニットとUSBはESDの影響を受ける可能性があります。バッテリーセルの故障による過電流から保護するために、リセット可能なヒューズ、PPTC表面実装ヒューズをお勧めします。 PPTCヒューズは、1秒未満で200％の過負荷になり、1つの短絡したバッテリーが複数のバッテリーに損傷を与えるのを防ぎます。

バッテリー管理ユニットとUSB回路にはESD保護が必要です。半導体部品を保護するために、クランプ電圧が低い多層金属酸化物バリスタをお勧めします。 PCBスペースの節約が重要な考慮事項である場合、スペースを節約する0402表面実装パッケージの多層MOVのバージョンを展開できます。

USB回路がUSBType-Cプロトコルに準拠している場合は、USBアダプターに推奨されているものと同じ熱感知要素を使用して、USB回路の嵌合USBソケットを保護する必要があります。 USB Type-C回路への熱感知インジケータの設計の詳細については、設計および設置ガイドを参照してください。 ³

コントロールボード

コントロールボードには、カメラを制御してビデオデータを保存するデジタル電子機器が含まれています。制御盤には、過渡現象やESDからの保護が必要です。この回路には、最大±30kVのストライクに耐えるツェナーTVSダイオードをお勧めします。リーク電流が0.5µA未満のTVSダイオードは、回路から最小限の電力を引き出します。ダイオードはまた、少量のPCBスペースを占有し、0201表面実装パッケージに収容できます。

ワイヤレスインターフェース

ワイヤレスインターフェイスは、コンピューター、スマートフォン、モバイルタブレットコンピューターなどの外部ワイヤレスデバイスと通信します。この回路は内部環境にさらされているため、ESDの影響を受けやすくなっています。この場合、ポリマーESDサプレッサーを検討してください。ポリマーESDサプレッサーは、空気中の±15 kV、人体への接触から±8kVのESDストライキから回路を保護します。さらに、0.2 pF未満の低静電容量は、信号の送信または受信を低下させません。

ドアベルカメラ

有線ドアベルカメラは、訪問者のリモートビューイングに非常に人気のある製品になりました。図7にドアベルカメラの例を示し、図8に推奨される保護および制御コンポーネントを含むブロック図を示します。

図7。 有線ドアベルカメラの例と推奨される保護および制御ソリューション

図8。 推奨される保護および制御コンポーネントを備えた有線ドアベルカメラのブロック図

電源ユニット

電源ユニットは、AC電源ラインからの降圧AC電圧とインターフェースし、電流過負荷や、雷によって誘発される過渡などの過渡電圧にさらされる可能性があります。他の電源回路と同様に、ヒューズは現在の過負荷状態から保護します。 ACラインの過渡電圧から保護するために、最大4kWの電力で過渡電圧を吸収できるTVSダイオードを選択してください。光学的に絶縁されたソリッドステートリレーを使用して、他の回路への電力を制御し、電力線からのノイズや過渡現象が下流の回路に伝播しないようにすることを検討してください。

バッテリーパック

バッテリーパックは、コントロールボードとユーザーインターフェイスにバックアップ電源を提供します。バッテリーパックとそのサブユニット、バッテリー管理ユニット、およびUSB回路は、ワイヤレスカメラの同じ回路に推奨される同様のコンポーネントを使用して、過電流状態や過渡状態から保護する必要があります。 TVSダイオードを追加すると、過渡電圧とESDストライクを確実に抑制できます。ワイヤレスカメラのバッテリーパックと同様に、USB Type-Cプロトコルが設計要件である場合は、USB回路の熱検知をお勧めします。

ユーザーインターフェース

ユーザーインターフェイスは、人との接触によるESDの影響を受けます。 TVSダイオードを使用して、ユーザーインターフェイスをESDから保護します。ドアベルカメラがヨーロッパで販売される場合は、ヨーロッパのプライバシー規制に準拠するために、ドアチャイムとカメラのアクティブ化を切り替える必要があります。ソリッドステートリレーを使用して、機械的なリレー接点のバウンスと電磁干渉（EMI）の発生を排除することを検討してください。

コントロールボードとワイヤレスインターフェース

コントロールボードとワイヤレスインターフェース回路は、ワイヤレスカメラと同じようにドアベルカメラでも機能します。ワイヤレスカメラのこれらの回路に推奨される保護コンポーネントは、ドアベルカメラの同じ回路に適用されます。

COVID-19パンデミックは防犯カメラの設計に影響を与えています

一部の防犯カメラメーカーは、COVID-19パンデミックに起因する生活の「ニューノーマル」に適応しています。彼らはカメラに赤外線熱感知技術を追加しているので、家や会社への訪問者の温度を個別に監視することができます。温度測定は、将来のスマートホームセキュリティシステムの標準機能になる可能性があります。健康安全のこの側面を含むようにセキュリティカメラがますます洗練されるにつれて、適切な回路保護を組み込むことは、より信頼性が高く堅牢なデバイスの開発に役立ちます。

図9。 防犯カメラは、COVID-19後の体温を監視するために熱スキャンを追加します

ホームセキュリティカメラに適用される規格

表1に示す2つの安全基準は、オーディオ/ビデオ通信技術機器とリチウム電池などの電池の要件を定義しています。 IEC 62368-1は、監視機器の安全要件に対応しています。また、2番目の規格であるIEC 62311-2は、リチウム電池と電池の安全性を確保するための要件を規定しています。リチウム電池の不適切な組み立てと操作は、火災の可能性につながる可能性があります。したがって、これらのタイプのバッテリーの監視は不可欠です。これらの規格に準拠しない場合は、再設計作業が行われ、規格機関への認証のために2回目の提出が行われます。プロジェクトのコストが増加し、製品の導入が遅れる可能性があります。

表1.監視カメラを備えた製品の安全基準

保護の価値

保護およびセンシングコンポーネントを設計目標として含め、プロジェクトの早い段階で標準コンプライアンスを組み込むことにより、堅牢で信頼性の高いスマートホームセキュリティシステムをコスト効率よく開発できます。もちろん、設計は常にパフォーマンスと総所有コストの間のトレードオフです。一部のテクノロジは他のテクノロジよりもコストがかかる場合がありますが、追加の要因により、総所有コストが最も低い場合は、より高いコストのコンポーネントテクノロジが必要であることが示される場合があります。コンポーネントを選択するときは、コンポーネントメーカーのエンジニアリングの専門知識を活用してください。信頼できるベンダーを使用すると、時間とリソースを節約できます。

信頼性と効率性により、スマートホームセキュリティシステムの評判が高まります。高品質の評判は、市場シェアの成長と収益の成長につながる可能性があります。これにより、収益性が向上します。

回路保護、センシングデバイス、およびコンポーネントの選択基準の詳細については、回路保護選択ガイドおよびリテルヒューズ提供のセンシング製品選択ガイドを参照してください。

参考資料

1. システム別のビデオ監視市場。 MarketsandMarkets。 2020年4月。
2. ユニバーサルシリアルバスType-Cケーブルおよびコネクタの仕様。リビジョン2.0。 2019年8月。USBImplementersForum（USB-IF）、Inc。
3. USBType-Cケーブル用デジタル温度インジケーター設計および設置ガイド。リテルヒューズアプリケーションガイド。 2019年4月。

業界記事は、業界パートナーが編集コンテンツに適さない方法でAll About Circuitsの読者と有用なニュース、メッセージ、テクノロジーを共有できるようにするコンテンツの形式です。すべての業界記事は、読者に有用なニュース、技術的専門知識、またはストーリーを提供することを目的とした厳格な編集ガイドラインの対象となります。業界記事で表明されている見解や意見はパートナーのものであり、必ずしもAll AboutCircuitsやそのライターのものではありません。