智能热水器设计：您不应忘记使用的三项重要技术

本文为设计人员提供了三种关键技术的信息：保护、控制和检测，用于开发对外部过载、瞬态和 ESD 具有鲁棒性的电热水器。代表这些技术的组件将有助于创建安全，高效，长寿命的热水器，可以安全地控制水温。通过使用推荐的组件，设计工程师将实现开发高质量、可靠、智能热水器的目标。

包括物联网 （IoT） 在内的新技术使每种产品（包括电器、照明和 HVAC 系统）都成为计算机控制的智能设备。从本质上讲，任何执行一定程度控制的产品都可以成为智能设备。这个概念也适用于无处不在的热水器。因此，电热水器市场正以7.4%的复合年增长率以有吸引力的速度增长。政府正在通过激励消费者将其燃气热水系统转换为电力系统来实现净零排放倡议来刺激增长。此外，一些地区的新建筑规范将不允许天然气连接，进一步加速热水器等全电动产品的增长。

为热水器添加智能功能增加了敏感的电子电路。设计人员有责任通过保护电子设备免受电流过载、电压瞬变、静电放电 （ESD） 和过热的影响来确保热水器的可靠性。保护电子设备还可以确保接触热水器的个人免受热和电危害。设计人员还需要确保使用长寿命组件。

智能电热水器概述

像当今几乎所有可用的电气和电子产品一样，电热水器使用微控制器来处理编程信息并在所需温度下供水。热水器使用交流线路电源来控制加热元件，并为微控制器和其他直流电路（如触摸屏显示器和无线接口）供电。温度探头提供输入和输出水温，使微控制器能够控制加热元件。

本文介绍了如何保护电路模块，并提供了应用控制和传感的适当组件解决方案。

保护热水器免受过载、瞬变和 ESD 的影响

交流输入保护电路

交流输入保护块可保护热水器电路免受交流线路上固有的电流过载和高压瞬变的影响。使用保险丝防止电流过载，使用金属氧化物压敏电阻（MOV）吸收交流线路上感应的电压瞬变。

考虑使用盒式保险丝，以便在电流过载导致保险丝跳闸时轻松更换。确保支持保险丝的保险丝座符合 UL/CSA/IEC 标准。

使用金属氧化物压敏电阻 （MOV） 吸收来自机械、电器甚至闪电的交流线路感应电压瞬变。寻找具有以下功能的 MOV：

能够吸收高达 10 kA 的瞬态电流

吸收至少 400 J 瞬态能量的能力

符合IEC 61051-1和61051-2，电子设备中使用的压敏电阻。

交流/直流辅助电源

AC/DC 辅助电源为 MCU、触摸屏显示器和无线接口供电。考虑敏感半导体的二次熔断和瞬态保护。在此电路中使用快速熔断直流保险丝。此外，考虑一个瞬态电压抑制器（TVS）二极管，它可以吸收高达400 W的脉冲功率。TVS二极管可以在不到0.1 ps的时间内箝位瞬态，以避免损坏敏感的半导体。为了节省印刷电路板空间，请寻找表面贴装TVS二极管。

触摸屏显示

用户直接与显示器接触，设置热水器的控制并获取热水器的状态。因此，显示器容易受到人体接触的ESD。使用 TVS 二极管保护触摸屏显示电路。TVS 二极管型号符合 IEC 61000-4-2 静电放电抗扰度测试，并为空中撞击或直接接触提供高达 30 kV 的 ESD 保护。

无线接口

无线接口从 PC、PLC、平板电脑和智能手机传输数据并接收控制信息。保护数据线免受ESD的影响可避免数据传输和接收损坏。考虑图3所示的双向TVS二极管阵列。该 TVS 二极管的版本可以安全地吸收 ±12 kV 的接触式 ESD 放电和 40 A 的快速瞬变。这些二极管通过向电路增加小于0.1 pf的电容来最小化信号失真。

或者，考虑使用聚合物ESD来保护数据线。这些元件具有低电容，通常低于0.25 pF。漏电流低于 10 nA，以最大限度地降低无线接口电路中的功耗

最大限度地提高热水器的效率和使用寿命

电热水器通常使用TRIAC来控制加热元件。TRIAC只需要一个低功耗驱动电路进行控制，它消除了在切换加热器电源时的触点反弹，并且没有可闻的噪音。TRIAC具有高可靠性，其版本提供高达250 A的浪涌容量和高达100 V的电压容量。TRIAC提供的固态开关可提供可靠的长寿命操作。

无罐热水器通常有一个加热元件，但较大的系统可以有两个加热元件。一个元件位于水箱顶部，第二个加热元件位于水箱底部。对于快速加热，无罐系统通常使用 40 A 或 90 A TRIAC 组件，其组件比具有类似接触电流额定值的机电继电器小得多。储罐系统通常使用较低功率的 16 A 或 25 A TRIAC。

控制水温，防止热水器过热

使用热敏电阻温度探头监测进水口和出水口的水温。热敏电阻提供比其他温度传感器类型更精确的温度监控。热敏电阻探头的快速热响应有助于提高热水器的效率。此外，利用热敏电阻的小尺寸。

包括用于电路保护、高效控制和传感的组件的好处

保护热水器并提高其可靠性不需要很多组件。通过将电路保护、高效控制和传感这三种技术纳入项目计划，节省开发和一致性测试时间。不强调设计的这些方面可能会导致重新设计、引入延迟和成本超支。

幸运的是，组件制造商的应用工程师可以通过以下方式帮助节省开发时间：

经济高效的组件选择

适用标准指南

预一致性测试，以帮助在热水器提交给标准机构进行合规性测试之前发现问题。

使用推荐的组件进行保护、控制和传感将确保高可靠性热水器具有低保修期内维修成本和高客户满意度。

审核编辑：郭婷