Considérations relatives à la conception de la protection, du contrôle et de la détection des circuits pour les applications de sécurité domestique intelligente

Cet article explore les composants qui protègent et contrôlent leurs circuits dans les applications de sécurité domestique intelligentes, en particulier les composants pour protéger les caméras de sécurité filaires et sans fil et les caméras de sonnette filaires.

Les progrès de la technologie IoT permettent le développement de systèmes de sécurité domestique intelligents qui offrent aux consommateurs sécurité, commodité et efficacité énergétique. Les nouvelles technologies de détection et les protocoles sans fil tels que le réseau local sans fil (Wi-Fi) ont créé une large gamme d'appareils capables de surveiller et de contrôler les équipements de sécurité, les équipements de contrôle d'accès, les appareils électroménagers, les équipements de gestion de l'énergie, les prises de courant, l'éclairage et les systèmes de divertissement. La figure 1 illustre l'étendue de la technologie IoT qui permet la maison intelligente.

Figure 1. Les avantages de la technologie de maison intelligente incluent le contrôle du divertissement, des appareils électroménagers, de l'accès, de l'alimentation et de l'énergie, ainsi que de la sécurité.

Le marché de la sécurité domestique intelligente est un marché dynamique. Les livraisons unitaires de caméras de sécurité résidentielles devraient passer de 54 millions d'unités en 2018 à 120 millions d'unités en 2023. Cela représente un taux de croissance annuel composé (TCAC) substantiel de 17 %. Il existe une opportunité importante d'innovation et de nouveaux produits sur ce marché.

Fiabilité égale sécurité

Les produits de sécurité domestique intelligents devront être hautement fiables afin de gagner des parts de marché. À mesure que de plus en plus de fournisseurs entrent sur le marché et que la différenciation des produits se rétrécit, la qualité des produits deviendra un facteur décisif pour les consommateurs. Ainsi, les produits devront être robustes aux surcharges et aux transitoires. Les paragraphes suivants donneront aux concepteurs de systèmes de sécurité à domicile des recommandations pour l'utilisation et la sélection de composants qui protègent et contrôlent leurs circuits. Des composants de protection des produits suivants seront présentés :

• Caméras de sécurité filaires et sans fil
• Caméras de sonnette filaire
  

Caméras de sécurité filaires

Les systèmes de caméras de sécurité filaires sont généralement des systèmes de sécurité fixes pour surveiller les zones entourant une résidence. La figure 2 montre une caméra de sécurité filaire et les composants recommandés pour protéger et contrôler la caméra. Ces caméras sont alimentées en courant alternatif et soumises à des surcharges et des transitoires se propageant sur la ligne d'alimentation en courant alternatif. De plus, toutes les connexions à l'environnement extérieur sont soumises à des décharges électrostatiques (ESD).

Les concepteurs devront protéger les circuits de leur caméra contre les dommages dus à ces conditions dangereuses. La figure 3 montre un schéma fonctionnel d'une caméra de sécurité filaire et des composants de protection et de contrôle recommandés pour garantir un produit robuste.

Figure 2. Exemple de caméra de sécurité filaire et composants de protection et de contrôle recommandés

Figure 3. Schéma fonctionnel de la caméra de sécurité filaire montrant les circuits et leurs composants de protection et de contrôle recommandés.

Adaptateur d'alimentation

L'adaptateur d'alimentation s'interface avec la ligne d'alimentation CA et doit être protégé contre les surtensions et les transitoires de tension de la ligne d'alimentation. Nous suggérons des fusibles pour la protection contre les surcharges, une varistance à oxyde métallique (MOV) pour la protection contre les surtensions transitoires et une diode de suppression de tension transitoire (TVS) pour la protection contre les transitoires de tension. Ces trois composants, avec des paramètres sélectionnés pour les spécificités de votre conception, garantiront que l'adaptateur secteur est résistant aux surcharges et aux transitoires.

Sélectionnez un fusible à fusion lente pour éviter les ouvertures intempestives du fusible dues au courant d'appel de l'alimentation à découpage. Cependant, pour éviter d'endommager les circuits de l'adaptateur secteur, choisissez un fusible qui répondra rapidement à une surcharge continue, par exemple en quelques secondes à une surcharge de 200 %. Ne négligez pas les autres paramètres clés lors de la sélection d'un fusible. Vérifiez que la tension nominale du fusible dépasse la tension de ligne maximale que l'alimentation verra. Assurez-vous également que le taux d'interruption est supérieur à la surcharge de courant dans le pire des cas que le circuit devrait rencontrer.

Une valeur de coupure appropriée évitera des dommages physiques au fusible dus à une surcharge transitoire importante de la ligne CA. Étant donné que l'espace est limité dans l'alimentation électrique, recherchez de petits fusibles qui répondent aux exigences. Enfin, utilisez un fusible avec des certifications UL/IEC pour simplifier et accélérer la qualification de conformité de sécurité des produits.

Pour les surtensions importantes et à haute énergie induites par la foudre, par exemple, protégez l'alimentation avec une varistance à oxyde métallique (MOV) située aussi près que possible de l'entrée de l'alimentation. Les MOV peuvent absorber des courants de surtension jusqu'à 10 kA, et ils peuvent absorber plus de 500 J d'énergie d'impulsion de crête. Étant donné que le MOV est en contact avec la ligne électrique, utilisez un composant certifié UL/IEC.

Le troisième élément de protection que vous souhaitez prendre en compte est une diode de suppression de tension transitoire (TVS) pour protéger les circuits en aval des transitoires de tension. Les diodes TVS répondent aux transitoires extrêmement rapidement, en moins de 1 ps. Lors de la suppression d'un transitoire, la diode TVS bloque sa sortie à une basse tension pour protéger les circuits sensibles. Les diodes TVS sont disponibles en versions unidirectionnelles ou bidirectionnelles et disposent d'une large gamme de tensions de serrage pouvant aller jusqu'à 10 V.

Étage d'entrée CC

L'étage d'entrée CC fournit une tension CC pour alimenter la carte de commande, l'entraînement du moteur et l'interface du capteur d'image. Nous recommandons à la fois une protection contre les surcharges de courant et une protection contre les tensions transitoires pour ce circuit. Un fusible conventionnel ou un fusible polymère à coefficient de température positif (PPTC) réinitialisable sont des options. Des versions à montage en surface de ces deux types de fusibles sont disponibles, donc consomment un minimum d'espace PCB. Les diodes TVS sont également disponibles dans des boîtiers à montage en surface peu encombrants et peuvent supporter des transitoires avec jusqu'à 5 000 W de puissance d'impulsion de crête.

Panneau de contrôle

La carte de contrôle contient l'intelligence du circuit de la caméra. La carte de commande comprend le MCU, le stockage de mémoire vidéo et le circuit d'interface filaire qui transmet les informations sur la ligne d'alimentation CA en utilisant le protocole PoE. Deux des circuits de la carte de contrôle doivent avoir des composants de protection. Ces deux circuits sont l'interface filaire et le circuit mémoire.

L'interface filaire se connecte à l'environnement externe et doit être dotée d'une protection contre les surcharges de courant et les tensions transitoires. Comme pour l'étage d'entrée CC, sélectionnez soit un fusible conventionnel, soit un fusible réarmable pour la protection contre les surcharges de courant. Pour la protection contre les transitoires de tension, nous recommandons un composant spécial, un réseau de diodes TVS. Le réseau de diodes TVS protège les lignes d'E/S PoE contre les décharges électrostatiques et autres transitoires haute tension.

La figure 4 montre un réseau de diodes bidirectionnelles combinées à une diode Zener pour résister à un choc ESD de ±30 kV. Ces diodes ont une faible capacité de 1pF/port qui minimise leur impact sur les signaux de transmission et de réception du protocole POE. Les configurations de réseau de diodes telles que celles illustrées à la figure 4 sont disponibles dans des boîtiers à montage en surface, qui occupent le moins d'espace sur le PCB.

Figure 4. Un réseau de diodes TVS conçu pour la protection ESD de plusieurs ports d'E/S

La carte SD contient les données acquises par la caméra. Nous recommandons une diode TVS pour protéger ce circuit important de jusqu'à ±30 kV d'ESD. Les diodes TVS ont de faibles courants de fuite inférieurs à 1 µA pour réduire la consommation électrique.

Entraînement moteur

Le bloc d'entraînement du moteur a un circuit de moteur d'orientation et d'inclinaison qui positionne la caméra pour suivre le mouvement. Pour ce circuit, nous recommandons un composant de commande, un commutateur à semi-conducteurs optiquement isolé. L'isolation optique empêche le bruit du moteur et les transitoires de se recoupler dans le circuit de commande de panoramique et d'inclinaison. La commutation à semi-conducteurs fournit une commutation sans rebond pour un contrôle plus fluide du moteur. Recherchez des commutateurs à semi-conducteurs avec commutation de passage par zéro pour minimiser les transitoires de démarrage du moteur. Recherchez également des interrupteurs avec limitation de courant pour vous protéger contre un blocage du moteur.

Caméras de sécurité sans fil

Pour surveiller les espaces internes, les caméras de sécurité sans fil sont petites et peuvent être placées facilement n'importe où. Voir la figure 5 pour un exemple de caméra sans fil. La figure 6 montre un schéma fonctionnel de la caméra sans fil et des composants de protection et de contrôle recommandés pour cet appareil.

Figure 5. Exemple de caméra de sécurité sans fil avec composants de protection recommandés

Figure 6. Schéma fonctionnel d'une caméra de sécurité sans fil et des composants de protection et de détection recommandés

Adaptateur

L'adaptateur USB est l'alimentation de la caméra de sécurité sans fil. Comme il se connecte au secteur, l'adaptateur USB doit être protégé contre les surcharges de courant et les transitoires de tension. Semblable à l'adaptateur secteur qui alimente une caméra de sécurité filaire, l'adaptateur USB doit avoir un fusible pour la protection contre les surintensités, un MOV pour les coups de foudre et une diode TVS pour la protection ESD.

Si la conception utilise un protocole USB Type-C, les connecteurs USB Type-C haute densité nécessitent une détection thermique pour détecter un court-circuit entre les broches du connecteur. Un élément de détection thermique conçu pour être conforme aux conceptions USB Type-C évitera d'endommager les câbles et les connecteurs si la poussière ou la saleté court-circuite les broches du connecteur adjacentes. Reportez-vous à la norme USB Type-C. ² L'élément de détection se réinitialise avec une faible résistance lorsque le problème à l'origine de l'élévation de température est corrigé.

Pack batterie

Le bloc-batterie doit être surveillé pour une condition de surintensité si une cellule de batterie tombe en panne en cas de court-circuit et surchauffe. De plus, l'unité de gestion de la batterie et l'USB peuvent être soumis à des décharges électrostatiques. Nous recommandons un fusible réinitialisable, un fusible à montage en surface PPTC, pour se protéger contre une surintensité due à une défaillance d'une cellule de batterie. Un fusible PPTC se déclenchera en moins d'une seconde à une surcharge de 200 % pour éviter qu'une batterie en court-circuit n'endommage plusieurs batteries.

L'unité de gestion de la batterie et le circuit USB doivent être protégés contre les décharges électrostatiques. Nous recommandons des varistances à oxyde métallique multicouches qui ont de faibles tensions de serrage pour protéger les composants semi-conducteurs. Lorsque l'économie d'espace sur le PCB est une considération importante, des versions de MOV multicouches dans des packages à montage en surface 0402 peu encombrants peuvent être déployées.

Si le circuit USB est conforme au protocole USB Type-C, un élément de détection thermique identique à celui recommandé pour l'adaptateur USB doit être utilisé pour protéger la prise USB correspondante dans le circuit USB. Vous trouverez plus de détails sur la conception d'un indicateur de détection thermique dans un circuit USB Type-C dans notre guide de conception et d'installation. ³

Panneau de contrôle

La carte de contrôle contient une électronique numérique qui contrôle la caméra et enregistre les données vidéo. La carte de commande a besoin d'une protection contre les transitoires et les décharges électrostatiques. Pour ce circuit, nous recommandons une diode Zener TVS qui supporte jusqu'à ± 30 kV d'amorçage. La diode TVS, avec un courant de fuite inférieur à 0,5 µA, tire un minimum de puissance du circuit. La diode prend également peu de place sur le PCB et peut être logée dans des boîtiers à montage en surface 0201.

Interface sans fil

L'interface sans fil communique avec des périphériques sans fil externes tels que des ordinateurs, des smartphones et des tablettes mobiles. Étant donné que ce circuit est exposé à l'environnement interne, le circuit est sensible aux décharges électrostatiques. Dans ce cas, envisagez un suppresseur ESD en polymère. Un suppresseur d'ESD en polymère protégera un circuit contre les décharges électrostatiques jusqu'à ± 15 kV dans l'air et ± 8 kV contre le contact humain. De plus, sa faible capacité inférieure à 0,2 pF ne dégrade ni la transmission ni la réception du signal.

Caméras de sonnette

La caméra de sonnette filaire est devenue un produit très populaire pour la visualisation à distance des visiteurs. La figure 7 montre un exemple de caméra de sonnette et la figure 8 montre un schéma fonctionnel avec les composants de protection et de contrôle recommandés.

Figure 7. Exemple de caméra de sonnette filaire et solutions de protection et de contrôle recommandées

Figure 8. Schéma fonctionnel d'une caméra de sonnette filaire avec les composants de protection et de contrôle recommandés

Unité d'alimentation

L'unité d'alimentation s'interface avec une tension alternative abaissée de la ligne électrique alternative et peut être soumise à des surcharges de courant et à des transitoires de tension tels que les transitoires induits par la foudre. Comme pour les autres circuits d'alimentation, un fusible protégera contre les conditions de surcharge de courant. Pour se protéger contre les transitoires de tension sur la ligne AC, sélectionnez une diode TVS qui peut absorber un transitoire avec une puissance aussi élevée que 4 kW. Envisagez d'utiliser un relais à semi-conducteurs optiquement isolé pour contrôler l'alimentation des autres circuits et empêcher le bruit et les transitoires de la ligne électrique de se propager aux circuits en aval.

Pack batterie

Le bloc-batterie fournit une alimentation de secours à la carte de commande et à l'interface utilisateur. La batterie et ses sous-unités, l'unité de gestion de la batterie et le circuit USB doivent être protégés contre les surintensités et les transitoires à l'aide de composants similaires recommandés pour le même circuit dans la caméra sans fil. L'ajout d'une diode TVS assurera la suppression des transitoires de tension et des chocs ESD. Comme pour la batterie de la caméra sans fil, nous recommandons la détection thermique pour le circuit USB si le protocole USB Type-C est une exigence de conception.

Interface utilisateur

L'interface utilisateur est soumise à l'ESD par contact humain. Utilisez une diode TVS pour protéger l'interface utilisateur des décharges électrostatiques. Si la caméra de sonnette est commercialisée en Europe, vous devrez inclure un commutateur entre l'activation du carillon de porte et la caméra pour vous conformer aux réglementations européennes en matière de confidentialité. Envisagez d'utiliser un relais à semi-conducteurs pour éliminer le rebond des contacts du relais mécanique et la génération d'interférences électromagnétiques (EMI).

Carte de contrôle et interface sans fil

La carte de commande et les circuits d'interface sans fil fonctionnent pour la caméra de sonnette comme ils le font pour la caméra sans fil. Les composants de protection recommandés pour ces circuits dans la caméra sans fil s'appliqueraient aux mêmes circuits dans la caméra de la sonnette.

La pandémie de COVID-19 influence la conception des caméras de sécurité

Certains fabricants de caméras de sécurité s'adaptent à la « nouvelle normalité » de vie résultant de la pandémie de COVID-19. Ils ajoutent une technologie de détection thermique infrarouge aux caméras afin que la température des visiteurs de la maison ou de l'entreprise puisse être surveillée discrètement. La mesure de la température pourrait devenir une fonctionnalité standard dans les futurs systèmes de sécurité domestique intelligents. Alors que les caméras de sécurité deviennent de plus en plus sophistiquées pour inclure cet aspect de la sécurité sanitaire, l'intégration d'une protection de circuit appropriée permet de développer des appareils plus fiables et plus robustes.

Figure 9. Les caméras de sécurité ajoutent un balayage thermique pour surveiller la température corporelle après COVID-19

Normes applicables pour les caméras de sécurité à domicile

Deux normes de sécurité, présentées dans le tableau 1, définissent les exigences relatives aux équipements de technologie de communication audio/vidéo et aux batteries telles que les batteries au lithium. La CEI 62368-1 traite des exigences de sécurité pour les équipements de surveillance ; et la deuxième norme, IEC 62311-2, dicte les exigences pour assurer la sécurité des piles et batteries au lithium. Un montage et un fonctionnement incorrects des batteries au lithium peuvent entraîner un incendie ; ainsi, la surveillance de ces types de batteries est essentielle. Le non-respect de ces normes entraînera un travail de re-conception et une deuxième soumission pour certification à un organisme de normalisation. Les coûts du projet augmenteront et l'introduction du produit peut être retardée.

Tableau 1. Normes de sécurité pour les produits avec caméras de surveillance

Valeur en protection

En incluant des composants de protection et de détection comme objectif de conception et en incorporant la conformité aux normes dès le début du projet, vous pouvez développer de manière rentable un système de sécurité domestique intelligent robuste et fiable. Bien entendu, votre conception est toujours un compromis entre les performances et le coût total de possession. Alors que certaines technologies peuvent coûter plus cher que d'autres, d'autres facteurs peuvent montrer que le coût total de possession le plus bas nécessite une technologie de composant à coût plus élevé. Tirez parti de l'expertise technique du fabricant de composants lors de la sélection des composants de protection, de contrôle et de détection. L'utilisation d'un fournisseur digne de confiance économise votre temps et vos ressources.

La fiabilité et l'efficacité améliorent la réputation de votre système de sécurité domestique intelligent. Une réputation de haute qualité peut entraîner une croissance des parts de marché et des revenus. Cela conduit à une meilleure rentabilité.

Pour plus d'informations sur la protection des circuits, les dispositifs de détection et les critères de sélection des composants, consultez le Guide de sélection des protections de circuits et le Guide de sélection des produits de détection avec l'aimable autorisation de Littelfuse.

Références

1. Marché de la vidéosurveillance par système. MarchésetMarchés. Avril 2020.
2. Spécifications du câble et du connecteur de bus série universel de type C. Révision 2.0. Août 2019. Forum des implémenteurs USB (USB-IF), Inc.
3. Indicateurs de température numériques pour les câbles USB Type-C Guide de conception et d'installation. Guide d'application Littelfuse. Avril 2019.

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