烟雾探测器和警报器，第 3 部分

低成本、可靠、无处不在的烟雾探测器是半导体实现的复杂物理和光学的一个例子。

鉴于这两种类型的烟雾报警器市场巨大——新的和更换/升级的单元每年有数千万个单元——许多 IC 供应商为此应用提供组件和参考设计也就不足为奇了。这不是一个简单的决定，因为任何最终设计都必须得到监管机构的批准，例如美国的保险商实验室 (UL) 或类似机构以及其他地区和国家的相应认证机构。甚至警报喇叭模式也由 UL217、NFPA72 和 ISO8201 定义。

尽管如此，这仍然是一个有吸引力的机会。一些供应商提供光电和电离设备，而其他供应商仅提供一种类型。为烟雾报警器提供 IC 的供应商包括 Allegro Microsystems、Analog Devices、Microchip Technology、NXP Semiconductor（主要通过他们在 2015 年收购飞思卡尔时附带的设备和产品线）、瑞萨电子公司和德州仪器。他们的 IC 和相关组件有相似之处，但也有区别，以将它们与竞争对手区分开来。

问：基本的烟雾探测器还必须做什么？

答：除了提供对 LED ****和光电传感器的基本管理外，烟雾探测器还必须驱动“喇叭”（压电发声器）并向用户闪烁可见的 LED 指示灯。有些还可以与驱动程序连接，为听力受损的用户或设置提供高功率频闪闪光灯，许多较新的还具有与其他设备通信的 I/O（第 4 部分中对此进行了详细介绍）。最后，它们必须具有自检模式以及用户启动的自检模式（通过一个简单的按钮），以确保 LED、光电传感器和其他电路仍然正常工作。

问：除了成本压力之外，组件供应商还面临哪些广泛挑战？

答：烟雾探测器制造商面临多个关键挑战：

• 开发更高性能的设备可以减少误报的频率，从而导致消费者禁用或关闭设备。

• 满足现有和新的法规要求（UL217、UL268. EN54/14604）。

• 最大限度地降低功耗以延长电池更换之间的时间。

• 减小探测器尺寸，以实现更轻松的架构集成和美学吸引力。

• 结合自校准方案，因为光子器件（光学****和接收器）在性能上具有广泛的单元间和批次间差异。自校准将简化制造并节省生产成本和时间。

问：您能举一个用于光电应用的基本 IC 的例子吗？

答：一种基本的烟雾探测器 IC 是 NXP（飞思卡尔）MC145010，它是一种 16 引脚 CMOS 器件（图 1）。其可变增益光电放大器允许直接连接到用作 IR 检测器的光电二极管。在待机状态下，低电源检测电路使用来自 LED 引脚的脉冲负载电流进行定期检查。跳变点使用两个外部电阻器设置。MC145010 的电源可以是标准的 9V 电池，因为它的工作电压为 6 至 12V，平均电源电流仅为 12μA。

图 1：NXP MC145010

光电烟雾探测器 IC 包括一个可变增益放大器 (VGA)，以适应光信号的宽动态范围。

LED ****、光电传感器和其他功能的要求意味着该 IC 还需要其他无源元件（图 2）。例如，两个外部电容器决定增益设置。IC 在大部分待机状态下选择低增益，在局部烟雾条件下选择中增益，在按钮启动测试期间使用高增益。在待机期间，特殊监控电路会定期检查腔室灵敏度是否下降并使用高增益。

图 2：NXP MC145010

由于 LED 和光电探测器的特性，以及其他需要根据具体情况进行调整和匹配的电路变量，使用分立的外部组件来实现灵活性。

Q：其他IC呢？

答：更先进的光电烟雾探测器是 Renesas RAA239101 （图 3）。RAA239101 提供了一个驱动器，该驱动器可以在两个 LED 之间切换，以通过 DAC 控制的可调电流为烟雾检测 LED ****提供脉冲。两个使用 ADC 具有可编程增益放大的光电二极管接收器通道允许通过感测从检测室中的任何烟雾散射的 LED 光来检测烟雾。

图 3：瑞萨电子 RAA239101 可以驱动两个不同波长的 LED，从而提高粒子检测的可信度。

当与微控制器、光电****/探测器、喇叭和外部组件结合使用时，它就形成了一个完整的烟雾探测器（图 4）。该 IC 采用 3 V 至 5 V 或 9 V 电池供电，并具有一个内部 LDO，可为微控制器供电。电池检查功能可以在电池电量低时发出警报。

图 4：瑞萨电子 RAA239101 的另一个特点是易于连接到本地微控制器以实现更高级别的功能。

问：电离检测器 IC 怎么样？

答：毫不奇怪，它们似乎与光电的没有太大区别。在这两种情况下，IC 都需要检测电流的流动。Allegro Microsystems A5367 是一种低电流 BiCMOS 电路，提供电离型烟雾探测器所需的所有功能（图 5）。有线网络功能允许多达 125 个单元相互连接，因此如果任何单元感应到烟雾，所有单元也会发出警报。此外，还结合了特殊功能，以方便完成烟雾探测器的校准和测试。美国保险商实验室认可该设备用于符合标准 UL217 或 UL268 的烟雾报警器。

图 5：Allegro Microsystems 的 A5367 专为电离型检测而设计，但其整体电路与光电设计非常相似，只是不需要 LED 驱动器。（图片：快板微系统）

它包括一个压电喇叭驱动器、用于检测器输入的电气“保护”输出（一种模拟电路技术）、用于低电量的脉冲测试、上电复位 (POR)、内部电池反接保护、定时器（静音）模式启用一个降低的灵敏度周期，并内置滞后，以减少误触发。内部振荡器和定时电路通过将设备断电 1.66 秒并在仅 10 毫秒内感应烟雾（图 6） ，将待机功耗保持在最低水平。每 24 次开关循环，检查一次电池电量不足的情况。

图 6：A5367 具有将功耗和误报降至最低并增强连续自检的功能。（图片：快板微系统）

问：烟雾探测器如何供电？

答：如上所示，许多烟雾探测器使用标准的 9-V 电池，由于成本低而非常受欢迎。然而，这种类型也有一个缺点——电池必须每隔一两年更换一次，因此已经失宠。其他设计使用额定运行至少十年但不能更换的长寿命锂电池；电池耗尽后，整个探测器将被“丢弃”。

这里的理由是，这比无用的检测器更安全，检测器是没电的电池，尽管它可能被认为是对环境的浪费。事实上，一些城市，例如纽约市，已经强制要求只有 10 年的额定单元允许在新建筑中或作为替换单元。烟雾报警器也有 120V 版本，许多地方或州的建筑规范要求这些烟雾报警器，但在断电的情况下需要备用电池，尤其是在新建筑中。

当然，真正的烟雾报警器不仅仅是电子产品。有一个外观简单的光学组件，具有各种细微之处、与面向大众市场的低成本但坚固的整体设计相关的机械问题、自检、音频输出电平、用户可见的 LED 指示灯，并满足各种监管要求。

问：设计师如何评估和微调烟雾报警器 IC 和电路？

答：大多数供应商都提供带有测试点的评估或演示（演示）板。例如，Microchip Technology ADM00344 是一个完整的独立烟雾探测器应用板，带有烟雾室仿真器，适用于他们的 RE46C190 低压可编程光电烟雾探测器 ASIC （图 7）。

图 7：为了简化评估和调整其烟雾探测器设备的各种参数的任务，供应商为其 RE46C190 IC 提供了演示板，例如 Microchip Technology ADM00344。（图片：微芯科技）

它支持评估 RE46C190 的所有功能，板上提供器件的关键测试点。RE46C190 应用电路位于电池座和压电喇叭旁边的电路板右侧，而烟雾室仿真器位于左侧。仿真器可以与应用电路断开连接，实际的烟雾室或其组件可以连接到演示板以进行最终设计评估阶段。该演示板还支持设计人员调整烟雾密度、低电量测试和其他功能的设置。

最后一部分着眼于一些趋势和先进的烟雾探测器和警报器。