低成本、可靠、無(wú)處不在的煙霧探測(cè)器是半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜物理和光學(xué)的一個(gè)例子。

鑒于這兩種類(lèi)型的煙霧報(bào)警器市場(chǎng)巨大——新的和更換/升級(jí)的單元每年有數(shù)千萬(wàn)個(gè)單元——許多 IC 供應(yīng)商為此應(yīng)用提供組件和參考設(shè)計(jì)也就不足為奇了。這不是一個(gè)簡(jiǎn)單的決定，因?yàn)槿魏巫罱K設(shè)計(jì)都必須得到監(jiān)管機(jī)構(gòu)的批準(zhǔn)，例如美國(guó)的保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室 (UL) 或類(lèi)似機(jī)構(gòu)以及其他地區(qū)和國(guó)家的相應(yīng)認(rèn)證機(jī)構(gòu)。甚至警報(bào)喇叭模式也由 UL217、NFPA72 和 ISO8201 定義。

盡管如此，這仍然是一個(gè)有吸引力的機(jī)會(huì)。一些供應(yīng)商提供光電和電離設(shè)備，而其他供應(yīng)商僅提供一種類(lèi)型。為煙霧報(bào)警器提供 IC 的供應(yīng)商包括 Allegro Microsystems、Analog Devices、Microchip Technology、NXP Semiconductor（主要通過(guò)他們?cè)?2015 年收購(gòu)飛思卡爾時(shí)附帶的設(shè)備和產(chǎn)品線(xiàn)）、瑞薩電子公司和德州儀器。他們的 IC 和相關(guān)組件有相似之處，但也有區(qū)別，以將它們與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手區(qū)分開(kāi)來(lái)。

問(wèn)：基本的煙霧探測(cè)器還必須做什么？

答：除了提供對(duì) LED ****和光電傳感器的基本管理外，煙霧探測(cè)器還必須驅(qū)動(dòng)“喇叭”（壓電發(fā)聲器）并向用戶(hù)閃爍可見(jiàn)的 LED 指示燈。有些還可以與驅(qū)動(dòng)程序連接，為聽(tīng)力受損的用戶(hù)或設(shè)置提供高功率頻閃閃光燈，許多較新的還具有與其他設(shè)備通信的 I/O（第 4 部分中對(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)介紹）。最后，它們必須具有自檢模式以及用戶(hù)啟動(dòng)的自檢模式（通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)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(wèn)：除了成本壓力之外，組件供應(yīng)商還面臨哪些廣泛挑戰(zhàn)？

答：煙霧探測(cè)器制造商面臨多個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)：

• 開(kāi)發(fā)更高性能的設(shè)備可以減少誤報(bào)的頻率，從而導(dǎo)致消費(fèi)者禁用或關(guān)閉設(shè)備。

• 滿(mǎn)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(zhǎng)電池更換之間的時(shí)間。

• 減小探測(cè)器尺寸，以實(shí)現(xiàn)更輕松的架構(gòu)集成和美學(xué)吸引力。

• 結(jié)合自校準(zhǔn)方案，因?yàn)楣庾悠骷ü鈱W(xué)****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(zhǔn)將簡(jiǎn)化制造并節(jié)省生產(chǎn)成本和時(shí)間。

問(wèn)：您能舉一個(gè)用于光電應(yīng)用的基本 IC 的例子嗎？

答：一種基本的煙霧探測(cè)器 IC 是 NXP（飛思卡爾）MC145010，它是一種 16 引腳 CMOS 器件（圖 1）。其可變?cè)鲆婀怆姺糯笃髟试S直接連接到用作 IR 檢測(cè)器的光電二極管。在待機(jī)狀態(tài)下，低電源檢測(cè)電路使用來(lái)自 LED 引腳的脈沖負(fù)載電流進(jìn)行定期檢查。跳變點(diǎn)使用兩個(gè)外部電阻器設(shè)置。MC145010 的電源可以是標(biāo)準(zhǔn)的 9V 電池，因?yàn)樗墓ぷ麟妷簽?6 至 12V，平均電源電流僅為 12μA。

圖 1：NXP MC145010

光電煙霧探測(cè)器 IC 包括一個(gè)可變?cè)鲆娣糯笃?(VGA)，以適應(yīng)光信號(hào)的寬動(dòng)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(wú)源元件（圖 2）。例如，兩個(gè)外部電容器決定增益設(shè)置。IC 在大部分待機(jī)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(dòng)測(cè)試期間使用高增益。在待機(jī)期間，特殊監(jiān)控電路會(huì)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(cè)器的特性，以及其他需要根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整和匹配的電路變量，使用分立的外部組件來(lái)實(shí)現(xiàn)靈活性。

Q：其他IC呢？

答：更先進(jìn)的光電煙霧探測(cè)器是 Renesas RAA239101 （圖 3）。RAA239101 提供了一個(gè)驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器可以在兩個(gè) LED 之間切換，以通過(guò) DAC 控制的可調(diào)電流為煙霧檢測(cè) LED ****提供脈沖。兩個(gè)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(guò)感測(cè)從檢測(cè)室中的任何煙霧散射的 LED 光來(lái)檢測(cè)煙霧。

圖 3：瑞薩電子 RAA239101 可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)不同波長(zhǎng)的 LED，從而提高粒子檢測(cè)的可信度。

當(dāng)與微控制器、光電****/探測(cè)器、喇叭和外部組件結(jié)合使用時(shí)，它就形成了一個(gè)完整的煙霧探測(cè)器（圖 4）。該 IC 采用 3 V 至 5 V 或 9 V 電池供電，并具有一個(gè)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(shí)發(fā)出警報(bào)。

圖 4：瑞薩電子 RAA239101 的另一個(gè)特點(diǎn)是易于連接到本地微控制器以實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的功能。

問(wèn)：電離檢測(cè)器 IC 怎么樣？

答：毫不奇怪，它們似乎與光電的沒(méi)有太大區(qū)別。在這兩種情況下，IC 都需要檢測(cè)電流的流動(dòng)。Allegro Microsystems A5367 是一種低電流 BiCMOS 電路，提供電離型煙霧探測(cè)器所需的所有功能（圖 5）。有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能允許多達(dá) 125 個(gè)單元相互連接，因此如果任何單元感應(yīng)到煙霧，所有單元也會(huì)發(fā)出警報(bào)。此外，還結(jié)合了特殊功能，以方便完成煙霧探測(cè)器的校準(zhǔn)和測(cè)試。美國(guó)保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可該設(shè)備用于符合標(biāo)準(zhǔn) UL217 或 UL268 的煙霧報(bào)警器。

圖 5：Allegro Microsystems 的 A5367 專(zhuān)為電離型檢測(cè)而設(shè)計(jì)，但其整體電路與光電設(shè)計(jì)非常相似，只是不需要 LED 驅(qū)動(dòng)器。（圖片：快板微系統(tǒng)）

它包括一個(gè)壓電喇叭驅(qū)動(dòng)器、用于檢測(cè)器輸入的電氣“保護(hù)”輸出（一種模擬電路技術(shù)）、用于低電量的脈沖測(cè)試、上電復(fù)位 (POR)、內(nèi)部電池反接保護(hù)、定時(shí)器（靜音）模式啟用一個(gè)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(shí)電路通過(guò)將設(shè)備斷電 1.66 秒并在僅 10 毫秒內(nèi)感應(yīng)煙霧（圖 6） ，將待機(jī)功耗保持在最低水平。每 24 次開(kāi)關(guān)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(bào)降至最低并增強(qiáng)連續(xù)自檢的功能。（圖片：快板微系統(tǒng)）

問(wèn)：煙霧探測(cè)器如何供電？

答：如上所示，許多煙霧探測(cè)器使用標(biāo)準(zhǔn)的 9-V 電池，由于成本低而非常受歡迎。然而，這種類(lèi)型也有一個(gè)缺點(diǎn)——電池必須每隔一兩年更換一次，因此已經(jīng)失寵。其他設(shè)計(jì)使用額定運(yùn)行至少十年但不能更換的長(zhǎng)壽命鋰電池；電池耗盡后，整個(gè)探測(cè)器將被“丟棄”。

這里的理由是，這比無(wú)用的檢測(cè)器更安全，檢測(cè)器是沒(méi)電的電池，盡管它可能被認(rèn)為是對(duì)環(huán)境的浪費(fèi)。事實(shí)上，一些城市，例如紐約市，已經(jīng)強(qiáng)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(bào)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(bào)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(dāng)然，真正的煙霧報(bào)警器不僅僅是電子產(chǎn)品。有一個(gè)外觀簡(jiǎn)單的光學(xué)組件，具有各種細(xì)微之處、與面向大眾市場(chǎng)的低成本但堅(jiān)固的整體設(shè)計(jì)相關(guān)的機(jī)械問(wèn)題、自檢、音頻輸出電平、用戶(hù)可見(jiàn)的 LED 指示燈，并滿(mǎn)足各種監(jiān)管要求。

問(wèn)：設(shè)計(jì)師如何評(píng)估和微調(diào)煙霧報(bào)警器 IC 和電路？

答：大多數(shù)供應(yīng)商都提供帶有測(cè)試點(diǎn)的評(píng)估或演示（演示）板。例如，Microchip Technology ADM00344 是一個(gè)完整的獨(dú)立煙霧探測(cè)器應(yīng)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(cè)器 ASIC （圖 7）。

圖 7：為了簡(jiǎn)化評(píng)估和調(diào)整其煙霧探測(cè)器設(shè)備的各種參數(shù)的任務(wù)，供應(yīng)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(píng)估 RE46C190 的所有功能，板上提供器件的關(guān)鍵測(cè)試點(diǎn)。RE46C190 應(yīng)用電路位于電池座和壓電喇叭旁邊的電路板右側(cè)，而煙霧室仿真器位于左側(cè)。仿真器可以與應(yīng)用電路斷開(kāi)連接，實(shí)際的煙霧室或其組件可以連接到演示板以進(jìn)行最終設(shè)計(jì)評(píng)估階段。該演示板還支持設(shè)計(jì)人員調(diào)整煙霧密度、低電量測(cè)試和其他功能的設(shè)置。

最后一部分著眼于一些趨勢(shì)和先進(jìn)的煙霧探測(cè)器和警報(bào)器。