강건한 동작 감지기 설계: 신뢰성 높은 저부품 적외선 솔루션

외란에 강건한 동작 감지기 설계 개념과 부품 수를 크게 줄이며 성능과 신뢰성을 향상시키는 적외선 감지기 어셈블리 소개

스마트 홈과 빌딩은 더 편리하고 안전하며 에너지 효율적인 지능형 기술의 혜택을 받고 있습니다. 그림 1은 가정과 빌딩 모두에 사용할 수 있는 광범위한 제품을 보여줍니다. 이 제품들은 소비자가 집에서, 빌딩 관리자가 현장에서 자동으로 모니터링하고 제어할 수 있습니다.

편의성, 안전성, 에너지 절약을 결합한 제품 중 하나가 적외선 동작 감지기입니다. 적외선 동작 감지기는 영역 내 점유를 감지하여 조명, HVAC 시스템, 경보를 작동시킬 수 있습니다. 동작 감지기가 보안 기능을 제공한다면 24시간 365일 안정적으로 작동해야 합니다.

그림 1. 가정과 빌딩에서 보안, 편의, 안전, 효율적 에너지 관리를 가능하게 하는 지능형 장치

보호, 제어, 감지 구성요소

수동 적외선 동작 감지기는 실내 또는 실외 모니터링에 사용되므로 환경적 외란에 강건해야 합니다. AC 전원으로 구동되는 경우 AC 전력선에 전파될 수 있는 과전류 서지와 과전압 트랜지언트를 견딜 수 있어야 합니다. 회로 보호 외에도 효율적인 제어와 신뢰할 수 있는 감지 성능이 품질 제품의 필수 요소입니다.

그림 2는 예시 적외선 동작 감지기와 제품 신뢰성과 성능을 높이는 권장 보호, 제어, 감지 구성요소를 보여줍니다.

그림 2. 권장 보호, 제어, 감지 구성요소를 보여주는 수동 적외선 동작 감지기 예시

그림 3에서는 수동 적외선 동작 감지기의 블록 다이어그램과 권장 보호, 감지, 제어 구성요소가 배치되어야 할 회로를 보여줍니다. 구성요소가 권장되는 각 블록에 대해 논의하겠습니다.

그림 3. 권장 구성요소가 위치한 회로를 보여주는 수동 적외선 동작 감지기 블록 다이어그램

AC/DC 전원 단

AC/DC 전원 단은 다른 회로 블록에 DC 전원을 공급합니다. 이 회로는 AC 전력선과 인터페이스하며 과전류 서지와 과전압 트랜지언트에 노출됩니다. 과전압 트랜지언트와 전류 서지는 낙뢰, 모터 온/오프 시 유도 스파이크, 전력선 전압 변동의 트랜지언트에서 발생할 수 있습니다.

이러한 잠재적 외란에 대해, 회로 기판에서 AC 전압 진입부에 최대한 가깝게 금속 산화물 바리스터(MOV)를 1차 방어선으로 권장합니다. AC 라인 트랜지언트의 회로 기판 전파 경로를 최소화하기 위함입니다. 다음 특성을 가진 MOV를 선택하세요:

• 번개로부터 하류 회로를 보호하기 위해 최대 10kA 피크 서지 전류 또는 150J 펄스 에너지 안전 흡수
• 하류 회로를 손상시키지 않는 낮은 클램핑 전압
• 감지기의 지정된 환경 범위에서 기능하도록 보장하는 동작 온도 범위 (페놀 코팅 버전은 최대 125°C까지 안전 동작)
• 국가 공인 표준 연구소의 UL 또는 IEC 인증으로 인증 시간 단축

AC/DC 전원 단 출력단에는 모든 부하 회로의 전원 부품을 추가로 보호하기 위해 과도 전압 억제(TVS) 다이오드 사용을 권장합니다. TVS 다이오드는 다양한 부하 회로의 전원 부품에 대한 트랜지언트 스트레스를 최소화합니다. TVS 다이오드는 회로 보호에 다음과 같은 이점을 제공합니다:

• 최대 600W 피크 펄스 전력 또는 100A 피크 서지 전류 흡수
• 공중 방전 또는 직접 접촉으로부터 최대 30kV ESD 보호
• 트랜지언트에 1ps 미만의 초고속 응답
• 최저 10V의 클램핑 전압 버전 제공
• UL 또는 IEC 부품 인증

그림 4와 같이 TVS 다이오드는 양방향(패키지 내 직렬 두 다이오드) 또는 단방향(단일 다이오드)일 수 있습니다. 보호 기능 외에도 TVS 다이오드는 소량의 전력만 소비합니다. 정상적인 무외란 동작에서 1µA 미만을 소모합니다. 또한 표면 실장 TVS 다이오드로 PCB 공간을 절약할 수 있습니다.

그림 4. ESD 및 기타 전기적 트랜지언트 보호를 위한 양방향 및 단방향 TVS 다이오드

동작 센서 및 MCU

수동 적외선 감지기의 주요 요소는 적외선 복사 센서와 마이크로컨트롤러 유닛입니다. 센서, 렌즈, 마이크로컨트롤러 유닛을 포함하는 완전한 패키지가 제공됨을 인지하세요 (그림 5 참조). 완전한 패키지는 다음을 제공합니다:

• 센서가 마이크로컨트롤러 칩에 직접 연결되므로 설계의 자재 명세서(BOM) 감소
• 감지 및 처리 전자회로의 완전한 설계에 필요한 모든 회로를 포함하는 마이크로컨트롤러: CPU, RAM, 타이머, 비교기, A/D 컨버터, 통신 인터페이스, 센서 펌웨어 포함
• 렌즈와 결합된 2요소 또는 4요소 센서로 다양한 시야각 옵션 제공
• 일반적인 전해 커패시터 사용보다 저렴하고 작은 세라믹 커패시터 사용 가능 (전해 커패시터는 누설 전류가 높고 수명이 짧음)
• 감도, 범위, 감지 시야각 관리를 제공하는 고급 동작 감지 알고리즘
• 사용자 정의 애플리케이션 기능 구현을 허용하는 마이크로컨트롤러의 유연성

전력 절약을 위해 동작이 감지되지 않을 때 저전력 모드를 가진 어셈블리를 찾으세요. 그림 6은 예시 적외선 동작 감지기 패키지를 보여줍니다. 더 적은 구성요소의 통합 패키지와 전해 커패시터 없음은 전반적인 제품 신뢰성을 향상시키고, PCB 공간을 절약하며, 비용을 절감합니다.

그림 5. 렌즈, 센서, 마이크로컨트롤러 어셈블리 조합 블록 다이어그램

그림 6. 렌즈-센서-마이크로컨트롤러 적외선 동작 감지기 어셈블리 예시. 이 어셈블리는 질로그(Zilog) 제품입니다. 렌즈와 센서는 보드 위에, 마이크로컨트롤러는 센서 아래에 있습니다.

경보

경보 회로는 적외선 센서가 적절한 양의 동작을 감지하면 작동합니다. 일반적으로 깜빡이는 LED 조명이나 LED 조명과 스피커 조합을 구동합니다. 경보 회로는 외부 장치를 구동하기 위한 제어 구성요소가 필요합니다. 고전력 구동을 저전력 로직 회로에서 갈바닉 분리하는 리드 릴레이 또는 솔리드 스테이트 릴레이 중 하나를 고려하세요. 솔리드 스테이트 릴레이는 출력 구동 접점의 수명이 더 길고, 리드 릴레이는 소비 전력이 더 낮습니다.

리드 릴레이는 컴팩트한 단일 인라인 패키지로 제공됩니다. 코일 구동 회로를 보호하는 내장 백 EMF 억제 다이오드와 제어 회로로 코일 EMI 유입을 방지하는 자기 차폐 옵션이 있는 리드 릴레이도 있습니다. 또한 리드 릴레이 접점은 기존 전자기 릴레이보다 수명이 길고, 넓은 환경 온도 범위에 비교적 면역입니다.

솔리드 스테이트 릴레이는 입력 LED와 출력 포토디텍터 트랜지스터 사이에 광학적으로 제어를 결합합니다. 솔리드 스테이트 릴레이는 입력과 출력 사이에 최대 1500Vrms 절연을 가질 수 있습니다. 많은 제품이 제로 전압 크로싱에서 스위칭을 개시하는 로직으로 EMI/RF 생성을 제거하도록 설계되었습니다. 솔리드 스테이트 릴레이 버전은 오프 상태 출력 누설 전류가 1µA 미만으로 전력 소비를 최소화할 수 있습니다. 공간 절약형 표면 실장 패키지로 제공됩니다.

구동 구성요소 선택은 사용할 출력 유형에 대해 접점이나 출력이 충분한 구동 용량을 가지는지 확인하는 데 달려 있습니다. 크기, 소비 전력, 비용도 구동 구성요소 선택 시 고려할 요소입니다.

수동 적외선 동작 감지기 안전 표준

표 1은 설계가 인증받고 시장 승인을 얻기 위해 준수해야 할 중요한 표준을 나열합니다. 이러한 표준 준수를 개발 프로젝트의 일부로 포함하면 인증 비용과 시간을 줄일 수 있습니다. IEC 표준 준수는 전 세계 모든 지역에서 제품 판매를 허용합니다.

표 1. 수동 적외선 동작 감지기의 안전 및 최소 운영 요구사항을 규제하는 표준

강건하고 신뢰할 수 있는 설계는 저부품 수와 저개발 비용으로 가능

적외선 감지기 설계에서 강건한 설계에는 몇 개의 보호 구성요소만 필요합니다. 렌즈/센서/마이크로컨트롤러 패키지를 활용하여 부품 수를 줄이고 제품 신뢰성을 극대화하세요. 표준 준수를 개발 프로젝트의 중요한 요소로 포함하여 인증 시간과 비용을 절약하세요. 제조사의 애플리케이션 전문성을 활용하여 보호 및 제어 구성요소 선정에 소요되는 시간을 절약하고 상당한 설계 시간을 단축하세요. 제조사는 설계에 적용되는 표준과 준수 보장 방법에 대한 가이드도 제공할 수 있습니다. 이러한 권장사항은 현장 고장이 적고 더 비용 효율적이고 수익성 있는 제품을 만드는 강건하고 신뢰할 수 있는 설계를 달성하는 데 도움이 될 것입니다.

참고문헌

1.) 점유 센서 시장. Markets and Markets. 2020년 7월.

참고 문헌

자세한 내용은 빌딩 자동화 애플리케이션 가이드와 회로 보호 선택 가이드를 다운로드하세요. 리틀휴즈(Littelfuse, Inc.) 제공.

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