煙霧探測器和警報器，第 3 部分

低成本、可靠、無處不在的煙霧探測器是半導體實現(xiàn)的復雜物理和光學的一個例子。

鑒于這兩種類型的煙霧報警器市場巨大——新的和更換/升級的單元每年有數(shù)千萬個單元——許多 IC 供應商為此應用提供組件和參考設計也就不足為奇了。這不是一個簡單的決定，因為任何最終設計都必須得到監(jiān)管機構的批準，例如美國的保險商實驗室 (UL) 或類似機構以及其他地區(qū)和國家的相應認證機構。甚至警報喇叭模式也由 UL217、NFPA72 和 ISO8201 定義。

盡管如此，這仍然是一個有吸引力的機會。一些供應商提供光電和電離設備，而其他供應商僅提供一種類型。為煙霧報警器提供 IC 的供應商包括 Allegro Microsystems、Analog Devices、Microchip Technology、NXP Semiconductor（主要通過他們在 2015 年收購飛思卡爾時附帶的設備和產(chǎn)品線）、瑞薩電子公司和德州儀器。他們的 IC 和相關組件有相似之處，但也有區(qū)別，以將它們與競爭對手區(qū)分開來。

問：基本的煙霧探測器還必須做什么？

答：除了提供對 LED ****和光電傳感器的基本管理外，煙霧探測器還必須驅(qū)動“喇叭”（壓電發(fā)聲器）并向用戶閃爍可見的 LED 指示燈。有些還可以與驅(qū)動程序連接，為聽力受損的用戶或設置提供高功率頻閃閃光燈，許多較新的還具有與其他設備通信的 I/O（第 4 部分中對此進行了詳細介紹）。最后，它們必須具有自檢模式以及用戶啟動的自檢模式（通過一個簡單的按鈕），以確保 LED、光電傳感器和其他電路仍然正常工作。

問：除了成本壓力之外，組件供應商還面臨哪些廣泛挑戰(zhàn)？

答：煙霧探測器制造商面臨多個關鍵挑戰(zhàn)：

• 開發(fā)更高性能的設備可以減少誤報的頻率，從而導致消費者禁用或關閉設備。

• 滿足現(xiàn)有和新的法規(guī)要求（UL217、UL268. EN54/14604）。

• 最大限度地降低功耗以延長電池更換之間的時間。

• 減小探測器尺寸，以實現(xiàn)更輕松的架構集成和美學吸引力。

• 結合自校準方案，因為光子器件（光學****和接收器）在性能上具有廣泛的單元間和批次間差異。自校準將簡化制造并節(jié)省生產(chǎn)成本和時間。

問：您能舉一個用于光電應用的基本 IC 的例子嗎？

答：一種基本的煙霧探測器 IC 是 NXP（飛思卡爾）MC145010，它是一種 16 引腳 CMOS 器件（圖 1）。其可變增益光電放大器允許直接連接到用作 IR 檢測器的光電二極管。在待機狀態(tài)下，低電源檢測電路使用來自 LED 引腳的脈沖負載電流進行定期檢查。跳變點使用兩個外部電阻器設置。MC145010 的電源可以是標準的 9V 電池，因為它的工作電壓為 6 至 12V，平均電源電流僅為 12μA。

圖 1：NXP MC145010

光電煙霧探測器 IC 包括一個可變增益放大器 (VGA)，以適應光信號的寬動態(tài)范圍。

LED ****、光電傳感器和其他功能的要求意味著該 IC 還需要其他無源元件（圖 2）。例如，兩個外部電容器決定增益設置。IC 在大部分待機狀態(tài)下選擇低增益，在局部煙霧條件下選擇中增益，在按鈕啟動測試期間使用高增益。在待機期間，特殊監(jiān)控電路會定期檢查腔室靈敏度是否下降并使用高增益。

圖 2：NXP MC145010

由于 LED 和光電探測器的特性，以及其他需要根據(jù)具體情況進行調(diào)整和匹配的電路變量，使用分立的外部組件來實現(xiàn)靈活性。

Q：其他IC呢？

答：更先進的光電煙霧探測器是 Renesas RAA239101 （圖 3）。RAA239101 提供了一個驅(qū)動器，該驅(qū)動器可以在兩個 LED 之間切換，以通過 DAC 控制的可調(diào)電流為煙霧檢測 LED ****提供脈沖。兩個使用 ADC 具有可編程增益放大的光電二極管接收器通道允許通過感測從檢測室中的任何煙霧散射的 LED 光來檢測煙霧。

圖 3：瑞薩電子 RAA239101 可以驅(qū)動兩個不同波長的 LED，從而提高粒子檢測的可信度。

當與微控制器、光電****/探測器、喇叭和外部組件結合使用時，它就形成了一個完整的煙霧探測器（圖 4）。該 IC 采用 3 V 至 5 V 或 9 V 電池供電，并具有一個內(nèi)部 LDO，可為微控制器供電。電池檢查功能可以在電池電量低時發(fā)出警報。

圖 4：瑞薩電子 RAA239101 的另一個特點是易于連接到本地微控制器以實現(xiàn)更高級別的功能。

問：電離檢測器 IC 怎么樣？

答：毫不奇怪，它們似乎與光電的沒有太大區(qū)別。在這兩種情況下，IC 都需要檢測電流的流動。Allegro Microsystems A5367 是一種低電流 BiCMOS 電路，提供電離型煙霧探測器所需的所有功能（圖 5）。有線網(wǎng)絡功能允許多達 125 個單元相互連接，因此如果任何單元感應到煙霧，所有單元也會發(fā)出警報。此外，還結合了特殊功能，以方便完成煙霧探測器的校準和測試。美國保險商實驗室認可該設備用于符合標準 UL217 或 UL268 的煙霧報警器。

圖 5：Allegro Microsystems 的 A5367 專為電離型檢測而設計，但其整體電路與光電設計非常相似，只是不需要 LED 驅(qū)動器。（圖片：快板微系統(tǒng)）

它包括一個壓電喇叭驅(qū)動器、用于檢測器輸入的電氣“保護”輸出（一種模擬電路技術）、用于低電量的脈沖測試、上電復位 (POR)、內(nèi)部電池反接保護、定時器（靜音）模式啟用一個降低的靈敏度周期，并內(nèi)置滯后，以減少誤觸發(fā)。內(nèi)部振蕩器和定時電路通過將設備斷電 1.66 秒并在僅 10 毫秒內(nèi)感應煙霧（圖 6） ，將待機功耗保持在最低水平。每 24 次開關循環(huán)，檢查一次電池電量不足的情況。

圖 6：A5367 具有將功耗和誤報降至最低并增強連續(xù)自檢的功能。（圖片：快板微系統(tǒng)）

問：煙霧探測器如何供電？

答：如上所示，許多煙霧探測器使用標準的 9-V 電池，由于成本低而非常受歡迎。然而，這種類型也有一個缺點——電池必須每隔一兩年更換一次，因此已經(jīng)失寵。其他設計使用額定運行至少十年但不能更換的長壽命鋰電池；電池耗盡后，整個探測器將被“丟棄”。

這里的理由是，這比無用的檢測器更安全，檢測器是沒電的電池，盡管它可能被認為是對環(huán)境的浪費。事實上，一些城市，例如紐約市，已經(jīng)強制要求只有 10 年的額定單元允許在新建筑中或作為替換單元。煙霧報警器也有 120V 版本，許多地方或州的建筑規(guī)范要求這些煙霧報警器，但在斷電的情況下需要備用電池，尤其是在新建筑中。

當然，真正的煙霧報警器不僅僅是電子產(chǎn)品。有一個外觀簡單的光學組件，具有各種細微之處、與面向大眾市場的低成本但堅固的整體設計相關的機械問題、自檢、音頻輸出電平、用戶可見的 LED 指示燈，并滿足各種監(jiān)管要求。

問：設計師如何評估和微調(diào)煙霧報警器 IC 和電路？

答：大多數(shù)供應商都提供帶有測試點的評估或演示（演示）板。例如，Microchip Technology ADM00344 是一個完整的獨立煙霧探測器應用板，帶有煙霧室仿真器，適用于他們的 RE46C190 低壓可編程光電煙霧探測器 ASIC （圖 7）。

圖 7：為了簡化評估和調(diào)整其煙霧探測器設備的各種參數(shù)的任務，供應商為其 RE46C190 IC 提供了演示板，例如 Microchip Technology ADM00344。（圖片：微芯科技）

它支持評估 RE46C190 的所有功能，板上提供器件的關鍵測試點。RE46C190 應用電路位于電池座和壓電喇叭旁邊的電路板右側，而煙霧室仿真器位于左側。仿真器可以與應用電路斷開連接，實際的煙霧室或其組件可以連接到演示板以進行最終設計評估階段。該演示板還支持設計人員調(diào)整煙霧密度、低電量測試和其他功能的設置。

最后一部分著眼于一些趨勢和先進的煙霧探測器和警報器。