스마트 홈 잠금 장치 및 액세스 제어를 위한 지능형 회로 보호 및 감지 설계

이 문서에서는 엔지니어가 설계에 사용할 수 있는 다양한 보호 및 감지 솔루션을 다루면서 스마트 홈 및 산업용 건물의 액세스 제어 토폴로지에 대한 개요를 제공합니다.

스마트폰, 네트워킹 및 사물 인터넷(IoT) 기술의 결합으로 스마트 홈과 고급 건물 자동화의 개발이 가능해졌습니다. 이러한 기술은 향상된 자동화, 제어 및 보안을 제공하여 집주인이나 사무실 거주자에게 향상된 편의성과 편안함을 주는 보다 큰 안전감을 제공합니다. 집주인이나 사무실 점유자가 어디에 있든 도어록과 창문 및 문의 상태를 볼 수 있습니다.

스마트 잠금 장치, 창문 및 문 감지 장치와 같은 주택 및 건물 보안 제품을 설계하는 엔지니어는 해당 장치가 고객에게 잘못된 보안 감각을 조성하지 않도록 해야 합니다. 설계자는 적용 가능한 안전 표준을 준수하고 안전하고 견고하며 신뢰할 수 있는 제품을 보장하는 데 필요한 보호 및 감지 구성요소를 이해해야 합니다.

스마트 잠금 장치 시장만 해도 고성장 시장이며 혁신의 기회가 있습니다. 스마트 잠금 장치의 글로벌 성장은 2019년 약 700만 개에서 20241년 약 2300만개로 단위 성장이 확대되면서 25%의 CAGR(연간 복합 성장률)을 가질 것으로 예상됩니다. 주거 시장이 성장의 대부분을 차지할 것입니다. , 약 70%입니다.

스마트 잠금 장치와 마찬가지로 개인 보안에 대한 인식이 높아짐에 따라 특히 개발 도상국에서 창문 및 문 센서의 글로벌 성장이 가속화될 것입니다. 출하량은 2019년 약 3억 개에서 2024년에는 약 4억 6500만개로 증가할 것으로 예상됩니다. 이 성장은 약 9%의 CAGR에 있습니다. 스마트 홈 보안 제품 시장은 건강하고 매력적인 시장입니다.

Smart Lock 디자인 보호

스마트 잠금 장치는 수동 액세스를 위한 키패드, 소프트웨어 애플리케이션을 통한 스마트폰 액세스를 위한 무선 프로토콜 링크, 도어 핸들의 위치를 ​​모니터링하는 센서, 도어를 잠그거나 잠금 해제하는 액추에이터, 우회하려는 노력을 감지하는 감지로 구성됩니다. 자물쇠. 그림 1은 안정적인 작동을 보장하기 위해 제안된 보호 및 감지 구성 요소가 있는 스마트 도어 잠금 장치의 예를 보여줍니다. 그림 2는 스마트 잠금 장치의 세부 블록 다이어그램을 제공합니다. 다이어그램은 제안된 보호 및 감지 구성요소의 권장 배치를 보여줍니다.

정전기 방전(ESD)은 스마트 잠금 전자 장치의 주요 위험입니다. 사용자 인터페이스와 무선 인터페이스 모두 사용자의 ESD에 취약합니다.

사용자 인터페이스에는 사전 프로그래밍된 액세스 코드를 입력하기 위해 접촉하는 키패드가 포함되어 있습니다. 특히 건조한 환경에서는 개인이 ESD의 원인입니다. 설계자는 민감한 전자 장치의 손상을 방지하기 위해 ESD로부터 사용자 인터페이스 회로 블록을 보호해야 합니다.

그림 1. 권장되는 보호 및 감지 솔루션이 포함된 스마트 잠금 장치

그림 2. 보호 및 감지 구성 요소가 권장되는 회로 블록을 보여주는 Smart Lock 블록 다이어그램

ESD 보호를 위해 설계자는 과도 전압 억제기(TVS) 다이오드 또는 다이오드 어레이를 고려해야 합니다. TVS 다이오드는 실리콘 애벌랜치 기술로 구축된 제너 다이오드이며 ESD 전압의 ±15kV 최소 보호 수준을 제공할 수 있습니다. TVS 다이오드 어레이는 5개의 신호 라인을 보호하고 접지 기준을 제공하기 위해 6개의 제너 다이오드를 수용할 수 있습니다. 그림 3을 참조하십시오. 어레이의 장점은 0402 표면 실장 패키지에 있는 하나의 공간 절약형 구성 요소가 최대 5개의 라인을 보호할 수 있다는 것입니다.

회로 블록에 미치는 영향은 최소화됩니다. TVS 다이오드 어레이의 누설 전류는 1µA에 불과합니다. 더 높은 수준의 ESD 보호가 필요한 경우 개별 다이오드가 각 신호 라인에 대해 ESD 보호를 제공할 수 있습니다. 그림 4에 표시된 단일 TVS 다이오드는 최대 ±30kV를 견딜 수 있습니다. 어떤 구성을 사용하든지 TVS 다이오드를 회로의 입력에 최대한 가깝게 배치하여 ESD 과도 전류가 회로에 침투하는 것을 방지합니다.

그림 3. 5라인 TVS 다이오드 어레이의 예

그림 4. 단일 TVS 다이오드

무선 인터페이스는 스마트폰이나 다른 네트워크 장치와 통신하기 위해 셀룰러 네트워크 또는 무선 LAN, WiFi 네트워크에 연결됩니다. 무선 인터페이스는 외부 환경에 노출되어 있으므로 ESD 보호 기능이 있어야 합니다. 권장 구성 요소는 폴리머 ESD 억제제입니다.

폴리머 ESD 억제기의 가치는 무선 인터페이스 출력의 특성 임피던스에 미미한 영향을 미치면서 ESD 과도 현상에 응답하고 흡수하는 능력입니다. 폴리머 ESD 억제기는 ±8kV 직접 접촉 ESD 및 ±15kV 공습을 견딜 수 있습니다. 구성 요소의 일반적인 정전 용량은 0.06pF로 낮습니다. 과도 현상에 대한 응답 시간은 1ns 미만으로 매우 빠릅니다. 배치는 가능한 한 입력 안테나 커넥터에 가깝게 해야 합니다. 그림 5는 양방향 구성요소인 폴리머 ESD 억제기의 두 가지 구성을 보여줍니다.

그림 5. 폴리머 ESD 억제기, 양방향 구성요소 구성

Smart Lock에 대한 권장 사항 감지

도어가 도어 프레임에 완전히 장착되었는지 확인하려면 센서가 필요합니다. 자기 액추에이터가 있는 리드 스위치는 배터리로 작동되는 스마트 잠금 장치를 위한 저전력 감지 솔루션입니다. 리드 스위치는 구동 전원이 필요하지 않으며 어떤 환경에서도 긴 수명을 위해 완전히 밀봉되어 있습니다. 버전은 최대 0.5A 또는 최대 200V 정격으로 10W를 전환할 수 있습니다. 이 스위치는 저전압 컨트롤러 회로에 사용하기에 매우 적합합니다. 또한 자동화된 회로 기판 조립을 위해 표면 실장 버전을 사용할 수 있습니다.

설계자는 도어 프레임과 같은 프레임에 장착하도록 설계된 원통형 자기 액추에이터를 고려해야 합니다. AlNiCo 자석은 권장되는 재료입니다. 크기는 5mm x 25mm만큼 작을 수 있습니다.

변조 감지 회로 블록에는 잠금 장치가 손상되고 도어가 열린 경우 사용자에게 경고하는 센서도 필요합니다. 다시 말하지만, 리드 스위치와 액추에이터가 권장됩니다. 리드 스위치-액추에이터 조합은 배터리 수명을 최대화하기 위해 최소한의 전력을 소비합니다. 설계자는 변조된 잠금에 대한 빠른 응답을 보장하기 위해 감도를 조정할 수 있는 리드 스위치-액추에이터 쌍을 고려할 수 있습니다.

스마트 잠금 장치에 대한 보호 및 감지 기능을 모두 제공하려면 4개의 구성 요소만 있으면 됩니다. 이러한 구성 요소는 회로 기판 공간을 최소화하고 안전하고 신뢰할 수 있는 제품을 보장합니다.

무선 도어 및 윈도우 센서 설계 보호

무선 도어 및 창 센서는 창 및 문의 상태에 대한 정보를 제공합니다. 사용자는 어느 위치에서든 창문과 문이 열려 있는지 여부에 대한 정보를 얻을 수 있습니다. 그림 6은 무선 도어 센서와 무선 창 센서의 하드웨어 구성을 보여줍니다. 그림은 또한 각 하드웨어 요소에 대해 권장되는 보호 및 감지 구성 요소를 보여줍니다.

그림 6. 권장 보호 및 감지 구성 요소가 표시된 무선 창 및 도어 감지 시스템

그림 7은 시스템의 두 가지 주요 요소의 블록 다이어그램을 보여줍니다. 센서 회로는 창이나 문의 위치를 ​​감지하고 사용자를 위한 인터페이스이기도 한 컨트롤러에 정보를 보고하고 어느 위치로든 정보를 전송합니다. 감지 회로는 문과 창에 있으며 움직일 수 있어야 합니다. 따라서 회로는 배터리로 작동되어야 합니다. 키패드가 있는 사용자 인터페이스 컨트롤러는 AC 라인 전원이 공급될 수 있도록 고정된 위치에 있습니다. AC 라인 전원은 상업용 설치를 위한 일반적인 애플리케이션입니다.

그림 7. 회로 블록과 권장되는 보호 및 감지 구성 요소를 보여주는 창 및 도어 센서 시스템의 블록 다이어그램

스마트 잠금 장치와 마찬가지로 설계자는 근접 감지를 위해 리드 스위치-자기 액추에이터를 고려해야 합니다. 활성화 전원이 필요하지 않은 리드 스위치는 센서 시스템의 배터리 수명을 연장합니다. 센서와 사용자 인터페이스 컨트롤러의 무선 인터페이스 회로 블록은 폴리머 ESD 억제기를 사용하여 RF 전송의 무결성을 유지하면서 ESD로부터 보호할 수 있습니다. 또한 스마트 잠금 장치와 유사하게 키패드가 있는 사용자 인터페이스 회로 블록에는 사람의 접촉으로부터 ESD 보호 기능이 있어야 합니다. TVS 다이오드 어레이는 ESD 과도 상태로부터 민감한 신호 라인을 보호할 수 있습니다.

AC 전원 및 AC-DC 전원 공급 장치가 사용자 인터페이스 컨트롤러에 전원을 공급하는 경우 설계자는 AC 라인의 잠재적 위협으로부터 컨트롤러를 보호해야 합니다. 전자 장치에 대한 잠재적인 손상은 과전류 조건, 낙뢰 및 기타 과도 전압, ESD 과도 상태에서 발생할 수 있습니다. 설계자는 퓨즈 및 전압 과도 보호 장치를 사용하여 이러한 조건으로부터 설계를 보호할 수 있습니다.

퓨즈의 작동 특성과 케이스 스타일을 포함하여 다양한 설계 목표를 충족하는 다양한 퓨즈 옵션이 있습니다. 설계자는 성가신 셧다운을 피하기 위해 시간 지연 또는 슬로-블로 퓨즈를 고려해야 합니다. 또한 설계자는 해당하는 경우 돌입 전류와 같은 단기 과부하를 수용할 수 있도록 퓨즈 정격 전류를 선택해야 합니다. 기타 고려 사항에는 퓨즈가 차단할 수 있는 최대 과부하 전류를 정의하는 차단 등급이 포함됩니다. 이 매개변수는 퓨즈 크기와 절충합니다. 작은 퓨즈가 필요한 경우 설계자는 퓨즈가 AC 라인에서 공급되는 사용 가능한 단락 전류를 견딜 수 있는지 확인해야 합니다. 마지막 고려 사항은 퓨즈의 내한성입니다. 전력 소비가 주요 관심사라면 설계자는 내한성이 낮은 퓨즈를 찾아야 합니다.

낙뢰 또는 모터 켜기 및 끄기 스파이크에서 AC 라인의 과도 전압으로부터 에너지를 안전하게 흡수하기 위해 설계자는 금속 산화물 배리스터(MOV) 사용을 고려해야 합니다. MOV는 8/20µs 과도 펄스에서 최대 10,000A의 전류 서지를 흡수할 수 있습니다. 20mm MOV는 530J의 에너지도 흡수할 수 있습니다.

MOV의 대체 부품은 TVS 다이오드입니다. 낙뢰 및 기타 과도 전류로부터 회로를 보호하기 위해 개발된 모델은 10/1000µs 펄스에서 최대 1500W의 전력을 견딜 수 있습니다. 전력 소비를 최소화하기 위해 TVS 다이오드는 정상 작동 조건에서 1μA 미만을 소비합니다. 또한 TVS 다이오드는 1ps 미만의 과도 현상에 빠르게 응답할 수 있습니다. 조립 노동을 최소화하기 위해 표면 실장 버전을 사용할 수 있습니다. 그림 8은 TVS 다이오드의 기호를 보여줍니다. 설계자는 양방향 다이오드 또는 단방향 다이오드를 선택할 수 있습니다.

그림 8. 양방향 및 단방향 TVS 다이오드 구성

스마트 잠금 장치와 마찬가지로 창 및 문 감지 회로를 보호하는 데 많은 구성 요소가 필요하지 않습니다. 디자이너는 제품에 가장 적합한 버전을 선택할 수 있는 다양한 옵션이 있습니다.

전자 보안 제품에 대한 산업 표준 준수

설계자는 프로젝트의 개발 단계에서 요구 사항을 통합할 수 있도록 개발 중인 제품에 적용되는 표준에 대해 알고 있어야 합니다. 표준을 준수하지 않으면 재설계 작업에 많은 비용이 소요되고 제품 출시가 지연될 수 있습니다.

ESD, 전기적 빠른 과도 현상 및 낙뢰를 견디기 위한 요구 사항을 정의하는 IEC 61000 시리즈와 같은 일반 제품 안전 표준 외에도 전자 잠금 및 관련 제품에 대한 특정 표준이 있습니다. 표 1은 전자 잠금 장치 및 관련 장치에 적용되는 표준을 나열합니다. 이 표준은 북미 시장과 중국에 적용됩니다. 이 문서는 스마트 잠금 장치와 창문 및 문 센서를 설계하는 데 필수적인 참고 자료입니다.

표 1. 북미 및 중국의 전자 잠금 장치 및 관련 제품에 대한 표준

요약

품질, 신뢰성 및 편의성에 대한 명성은 스마트 잠금 장치와 창문 및 문 감지 제품 제조업체에게 엄청난 경쟁 우위입니다. 적절한 보호 및 감지 구성 요소를 통합하면 안전하고 견고한 제품을 달성하는 데 기여할 것입니다. 다행히 설계자는 제품을 완전히 보호하고 안전 표준을 준수하기 위해 소수의 구성 요소만 필요합니다. 저에너지 센서를 통해 설계자는 배터리 수명을 최대화하여 배터리 교체 빈도를 최소화할 수 있습니다. 설계자는 사용할 수 있는 여러 대체 구성 요소를 가지고 있습니다. 최적의 설계를 달성하기 위한 마지막 권장 사항은 부품 제조업체의 전문 지식을 활용하고 조언을 구하는 것입니다.

회로 보호, 감지 장치 및 구성 요소 선택 기준에 대한 자세한 내용은 Littelfuse에서 제공하는 회로 보호 선택 가이드 및 감지 제품 선택 가이드를 참조하십시오.

참조

<올>

스마트락 시장 규모. 그랜드뷰 리서치. 2020년 2월.

윈도우 센서 시장 전망. 전망 시장 조사. 2019년 5월.

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