# GB 20517-2025 独立式感烟报警器硬件方案与选型设计

| 项目 | 内容 |
| --- | --- |
| 文档版本 | V2.3，2026-10-31 |
| 变更记录 | V2.3：**主线切换——方案 B（分立蓝光+红外双波长）转正为唯一主线，方案 A（ADPD188BI 集成）归档**（低成本要求，归档见[归档_方案A_ADPD188BI集成双波长设计](./归档_方案A_ADPD188BI集成双波长设计.md)）；光学前端、电源树、功耗预算、BOM 与成本估算、引脚分配、固件接口、PCB/EMC、风险全面改写为分立方案；V2.2：新增 9.1 单台硬件成本估算、5.2 光学前端可替代性分析；V2.1：曾搁置方案 B（V2.3 已恢复）；V2.0：新增 1.5 硅片路线盘点、方案 D 评估、成熟产品借鉴要点；V1.0：初版 |
| 文档性质 | 市场产品分析 + 硬件架构 + 器件选型 + 原理图级连接设计 |
| 适用产品 | 单点式、内置电池、光电感烟、B 型固定阈值（硬件可支持 A 型三级） |
| 关联文档 | [产品设计方案](./GB20517-2025_独立式感烟报警器产品设计方案.md)、[方案速读](./GB20517-2025_独立式感烟报警器方案速读.md)、[市面成熟烟感硬件方案调研](./市面成熟烟感硬件方案调研.md) |
| 状态 | 参考设计；器件型号、光腔尺寸、声腔和参数需样机验证后冻结 |
| 重要说明 | 竞品公开资料未披露完整 BOM；本文竞品分析基于公开宣传、认证信息和拆解类比，硬件方案为独立参考设计，不代表任何竞品的实际电路 |

## 0. 阅读说明

1. 本文回答三个问题：市面上新国标产品大致怎么做的、我们选什么器件、原理图怎么连。
2. “竞品方案”只写到公开资料能确认的程度：光学形态、电池容量、平均电流、报警电流、声压指标、消音周期、指示灯和通信方式。主控型号、AFE 型号、光腔尺寸、阈值算法通常不公开，本文不做臆测。
3. 本文只保留一套可落地硬件：**方案 B（分立蓝光+红外双波长光路），首版送检与量产共用**——低成本要求下的决策（V2.3）。原"方案 A（ADPD188BI 集成双波长）"已归档于[归档_方案A_ADPD188BI集成双波长设计](./归档_方案A_ADPD188BI集成双波长设计.md)，保留作研发对标样机、高配款与回退预案。对专用烟感 ASIC（Microchip RE46、NXP MC14501x）和烟感专用 MCU（Holtek BA45F 系列）的路线评估见 1.5 和第 3 节方案 D——结论是不作为 GB 20517-2025 全功能主控，但吸收其成熟设计点，依据见[市面成熟烟感硬件方案调研](./市面成熟烟感硬件方案调研.md)。
4. 所有“目标值”都是工程目标，不是标准规定值；最终以样机、烟箱、声学室和型式试验结果为准。
5. 本文的“原理图级”指器件引脚、网络、参数和连接关系已明确，可直接据此绘制 KiCad/Altium 原理图；不包含 EDA 工程文件。

## 1. 市场产品分析

### 1.1 已上市或已获证的代表产品

| 品牌/型号 | 公开信息 | 对硬件的启示 |
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| 高新投三江 JTY-GD-H510C | 2026-06 公开报道称率先通过 GB 20517-2025 全项检测与认证；前向蓝光 + 后向红外双光路；A 型三级灵敏度；2800 mAh 锂电池；监视电流 <15 µA；5 年续航；红/黄/绿三色指示；红外遥控消音；云平台 | 双波长 + 双光路是主流；A 型三级；3 V 大容量锂电；≤15 µA；三色灯 |
| 大华 DH-HY-SA2GA-A | 产品页明确执行 GB 20517-2025；单点式、A 型三级、4G；烟雾/温度/湿度；报警声初始 <45 dB@3 m，3～10 s 升至 80～105 dB；手动/红外/远程消音；报警消音 12 min、故障消音 7 h；1 个自检/消音键 + 1 个防拆键；红黄绿三色灯；黑匣子导出；DC 3 V 3000 mAh；平均 ≤15 µA，报警 ≤40 mA；5 年；-10～55 ℃；95%RH；3C | 主流指标基线；3000 mAh/15 µA/40 mA；12 min 消音；温湿度；三色灯；单键方案需确认 5.3.5.2 |
| 小米烟感卫士2 | 红、蓝双发射光源，双光路；温湿度多维监测；高/标准/低三档；CR17450 锂锰电池；5 年；三色灯带；蓝牙 Mesh；黄灯故障/低电量/积灰；防虫网。公开资料未明确标注 GB 20517-2025 证书，技术路线与新品时间点接近新国标 | 消费级也转向红蓝双光；CR17450；5 年；三色灯；防虫网 |
| 赛特威尔 GS530C-1CTDR | 严格遵循 GB 20517-2025；大迷宫；自研迷宫迭代；算法优化；赛特威尔为标准主要起草单位；另有 4G 型号 GS530C-1CTDR-H01（工信部终端） | 迷宫与算法是核心；4G 型号独立 |
| 泛海三江 双光谱模组 | 红外 + 蓝光双发射；双接收光路；45° 后向散射迷宫；从物理层面区分火灾气溶胶与干扰颗粒物 | 45° 后向散射 + 双接收是重要几何参考 |
| 智联卫士 ZL-AG02/AL02 | 完全遵循 GB 20517-2025；红蓝双波段双光路；高精度 MCU；上传红/蓝光烟雾浓度、迷宫污染、传感器累计工作时间、电池、温度、信号强度；B 值灵敏度档位；4G/LoRa | 双通道数据 + 污染诊断 + 传感器寿命；MCU 需多通道 ADC/算法 |
| 海湾 | 公开报道称率先完成全产品线技术升级并获新国标认证 | 传统消防大厂全面切换；具体 BOM 未公开 |
| 海曼/青鸟 | 公开信息显示在跟进新国标；具体获证型号和硬件未公开 | 需以 CCCF 证书和说明书为准 |

### 1.2 公开信息能确认的五个共性

1. **双波长/双光路**：蓝光 470 nm + 红外 850/940 nm，前向/后向散射，双接收或双通道。蓝光对细小烟粒更敏感，红外对较大颗粒（粉尘、水汽）响应不同，两者比值用于区分真实烟与干扰源。**注意：GB 20517-2025 只要求光电原理，不强制双波长——双波长是头部品牌的抗误报选择；30～50 元基础合规款普遍为单红外 + 迷宫 + 算法路线（见 9.1 市售对照）。**
2. **低功耗 MCU 或专用烟感 MCU**：平均工作电流 ≤15 µA，报警电流 ≤40 mA。公开拆解可见 STM32L051、Holtek HT45F23A 等路线。
3. **3 V 锂锰/锂亚电池 2400～3000 mAh**：5 年续航是市场主流承诺，部分产品以 10 年为目标。CR17450 是常见规格。
4. **压电音响 + 升压/电荷泵**：3 m 处初始 ≤45 dB(A)，3～10 s 升至 80～105 dB(A)；需 50 次转换 + 72 h 连续报警。
5. **红外接收 + 双键/三色灯 + 可选 4G/LoRa/BLE**：A 型三级可调在市场上很常见；B 型固定阈值同样允许，但需要靠固定阈值和算法覆盖场景。

### 1.3 不能从公开信息确认的部分

- 主控/AFE 的具体型号、光腔尺寸、LED 角度、PD 位置、迷宫材料与表面处理。
- 阈值算法、污染基线、蓝/红外比值门限、温度补偿系数。
- 声腔结构、压电片料号、驱动波形和声压校准表。
- 完整 BOM、PCB 层叠、生产校准流程。

因此，本文的方案是**独立参考设计**，不是对任何竞品的复刻。竞品数据只用于校准我们的设计目标和架构选择。

### 1.4 拆解类比：典型硬件路线

新国标产品的完整 BOM 不公开，但公开拆解可以确认几类典型器件路线：

| 拆解/公开案例 | 主控/模拟 | 光学 | 音频/通信 | 启示 |
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| 小米第一代烟感 | 低功耗 MCU + TLV6002 双运放 | 单 IR 发射/接收对管，金属屏蔽 | 压电 + Wi-Fi 模块 | 单光路可做基础烟感；新国标需双波长/污染诊断 |
| CC-80 无线烟感 | Holtek HT45F23A（双运放/比较器/ADC） | 单 IR 对管 | 压电 + RF433 | 专用烟感 MCU 可做低成本；8 位资源有限 |
| 海康可视化报警器 | STM32L051K8U6（QFN-32） | 未公开 | 低功耗 32 位 MCU | 32 位低功耗 MCU 是主流选择 |
| NB-IoT 烟感公开分析 | MCU + 分立前端 | 850 nm IR LED + TEPT5600 PD | NB-IoT | 分立 IR 对管 + PD 仍然常见 |

**结论**：新国标产品并不是“换一颗传感器”，而是“双波长光学 + 低功耗 32 位 MCU + 压电渐强 + 红外消音 + 污染诊断 + 可选通信”的系统组合。本文以**分立蓝光 + 红外双光路**（方案 B）低成本落地该组合（V2.3）；ADPD188BI 集成路线（原方案 A）因 BOM 成本归档。

### 1.5 硅片路线盘点：三类成熟方案的证据

| 路线 | 代表芯片 | 典型架构 | 评价 |
| --- | --- | --- | --- |
| 专用烟感 ASIC | Microchip RE46 系列（C100/168/178/180/188/**C190**/C194/C200）、NXP MC145010/MC145012 | 单芯片集成光放+升压+压电驱动+低电检测，配 IR 对管迷宫；欧美 10 年密封基础款标准做法，大批量约 1 美元 | BOM 极简、十年寿命大规模验证；但声型/消音/自检逻辑按 UL/EN 固化，无渐强声压、红外消音、RTC 日志、双波长、污染诊断，**不适合 GB 20517-2025 全功能** |
| MCU + 集成双波长 AFE | ADI ADPD188BI + 低功耗 32 位 MCU | 蓝光 470 nm + 红外 850 nm、双 PD、14-bit ADC；配套 **CN0537 参考设计**（含烟腔+算法+数据集）已通过 UL 217 第 8 版与 UL 268 tested & verified（AN-1567） | 双波长比值抗干扰是新国标获证产品的共同形态；有经过认证验证的算法起点，标定周期短；**已归档（2026-10-31，成本原因：单颗占电子 BOM 一半以上）** |
| MCU + 分立光路 / 烟感专用 MCU | Holtek BA45F5xxx（双通道 AFE+双 IR LED 恒流+16-bit ADC）、HT45F23A、STM32+TLV6002 | 8/32 位 MCU + LED/PD/TIA + 压电；国产老国标成本款主力（小米一代、CC-80 等拆解证实） | BOM 最低；**本项目主线取其“MCU+分立光路”形态，用 32 位 MCU + 自选器件实现双波长（V2.3）**；BA45F 类 8 位机仅作降配款参考 |

调研细节与来源见[市面成熟烟感硬件方案调研](./市面成熟烟感硬件方案调研.md)第 2～4 节。

## 2. 设计目标与边界

| 项目 | 目标/约束 | 说明 |
| --- | --- | --- |
| 产品形态 | 单点式、内置电池、光电感烟 | 基线不带射频；互联/无线为独立型号 |
| 响应阈值 | B 型固定阈值；硬件支持 A 型三级 | A/B 是固件与参数问题，硬件需留够动态范围 |
| 电池 | CR17450，3.0 V，2400～3000 mAh，焊片；建议 3000 mAh | 脉冲能力 ≥40 mA；低温、内阻、自放电需实测 |
| 正常平均电流 | ≤12 µA 目标；≤15 µA 可接受 | 含 MCU、RTC、光学、LED、漏电和周期检测 |
| 报警电流 | ≤40 mA | 含音响、LED、光学、IR 接收 |
| 光学 | 470 nm 蓝光 + 850 nm 红外，分立 LED/PD/TLV6002 TIA 双光路 + 参考 PD | 蓝/红外比值 + 绝对量 + 时间特征；参考通道监测 LED 老化与光路污染 |
| 采样 | 正常 4 s；候选/火警 1 s | 不得用软件延时推导符合性 |
| 声压 | 3 m 初始 ≤45 dB(A)；3～10 s 升至 80～105 dB(A) | 工程目标：6 s 到 85～95 dB(A) |
| 音响耐久 | 50 次转换 + 72 h 连续报警 | 稳压电源试验，不是电池试验 |
| 火警消音 | 60 s 禁消音；600 s 消音周期 | 标准允许 5～15 min |
| 电池故障消音 | 25200 s（7 h） | 独立计时器 |
| 事件记录 | ≥64 条火警（标准 ≥20） | 6 KB EEPROM 可存 64 条 32 字节记录 |
| 寿命 | 10 年研发目标；5 年保守承诺 | 以电池曲线、环境、报警次数和老化结果为准 |
| 环境 | -10～55 ℃；95%RH；EMC 按标准 | 器件选 -40～85 ℃ 等级留余量 |
| 维护 | 3 线 UART 工装口，不提供整机供电 | 校时、导出、工厂校准 |
| 扩展 | 有线互联/无线联网为独立型号 | 不沿用基础款 12 µA 预算 |

## 3. 方案对比与推荐

| 方案 | 光学前端 | MCU | 优点 | 缺点 | 适用阶段 |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- |
| **B（唯一主线）** | 分立蓝光 + 红外 LED、双 PD、TLV6002 TIA | STM32L071KBU6（GD32L233K8 国产二供） | 光学 BOM 仅约 5～15 元；光学几何自由；国产供应链、无单一来源芯片风险 | 光腔标定、TIA 调试与批次一致性工作量大，全靠自研 | 功能原型、关键性能原型、送检与量产 |
| **A（已归档）** | ADPD188BI 集成双波长模块 | STM32L071KBU6 | 双波长/双 PD/14-bit ADC 集成，光学和模拟风险低，有 UL 验证算法起点，研发最快 | 单颗 60～85 元占电子 BOM 一半以上；ADI 单一来源；低价位零售现实下无毛利 | 已归档（成本原因）；作对标样机/高配款/回退预案 |
| **C（最低成本）** | 分立单/双光路 | Holtek HT45F23A、EN8F2812 等专用烟感 MCU | 成本最低；外围少 | 8 位、日志/协议/IR/温湿度能力弱；不适合新国标完整功能 | 极简单点款，不推荐 |
| **D（专用 ASIC）** | 片内集成（RE46C190 类） | 无独立 MCU，如 RE46C190/MC145012 | BOM 最简（约 1 美元）、欧美 10 年密封款大规模验证；片内升压+压电驱动+EEPROM 标定 | 声型/消音/自检按 UL/EN 固化，无法实现渐强声压曲线、38 kHz 红外消音、RTC 日志、双波长、污染诊断 | 不作为 GB 20517-2025 主控；仅借鉴其音频驱动、脉冲采样与标定工序 |

**路线决策（V2.3）**：**方案 B（分立双波长）为唯一主线**——低成本要求下的决策：双波长性能保留（蓝/红比值抗误报，对齐头部品牌产品形态），光学 BOM 从 60～85 元降到 5～15 元，供应链全部可国产化。代价是光腔标定、TIA 调试和批次一致性（方位/一致性/SH1～SH4 试验的主要风险来源）全部自研承担——这是本项目研发投入的重心，验证计划（第 11 节）以"3D 打印光腔 + 烟箱多轮迭代 + 每台 EEPROM 标定"为主线组织。方案 A 归档保留：建议首版仍采购 1～2 块 ADI 评估板作"金标准"对标样机，为分立方案的烟箱标定提供双通道基准数据。

**从国际成熟产品（RE46 类 ASIC 拆解，见 1.5 与调研报告）借鉴的设计点**：

1. **音频**：欧美 10 年款用“片内升压至 9 V + 三脚自谐振压电（Hartley，反馈极约 28 Vpp）”实现 ≥85 dB@3 m——PAM8904 18 Vpp 电荷泵的现代等价物已在我们方案中；若实测声压不足，自谐振方案为备选（见 5.4）。
2. **采样**：电容储能 10 ms + 100～400 µs 短脉冲放光、10 s 轮询/1 s 确认的两级节奏——分立 LED 驱动直接采用此法：VLED 升压 + 限流电阻短脉冲发光，脉冲期间 ADC 多点采样取中值。
3. **标定**：每台 EEPROM 写入灵敏度/校准参数（RE46 片内 EEPROM 的标准做法）——新国标一致性比值判据下的量产必备工序。
4. **结构**：迷宫整体包细金属防虫网 + 窄缝进烟 + 内部挡光筋；10 年密封电池 + 出厂未激活 + 机械互锁。

**与原设计文档的差异**：原方案是 940 nm 双发射角度 + 主/参考 PD；本文主线为**分立 470 nm 蓝光 + 850 nm 红外双波长**（V2.3），几何为蓝光前向 + 红外后向 + 主 PD 90°，参考 PD 不变；940 nm 仅保留用于红外遥控消音接收，不用于烟感探测发射。

## 4. 系统架构与电源树

### 4.1 整机框图

```mermaid
flowchart TB
    BAT["CR17450 3.0V\n2400-3000mAh"] --> REV["P-FET 反接保护\nDMG2305UX"]
    REV --> VBAT["VBAT 3.0V"]
    VBAT --> MCU["STM32L071KBU6\n128KB Flash / 20KB RAM\n6KB EEPROM / RTC"]
    VBAT --> BOOST["TPS61023\n3.6V / 使能控制"]
    BOOST --> LEDX["蓝光/红外 LED\n470nm + 850nm\nNMOS 脉冲驱动"]
    VBAT --> VDDOP["VDD_OP（TPS22910A）\nTLV6002 主/参考 TIA"]
    VDDOP --> OPT["PD×2 → TIA×2\n主通道 + 参考通道"]
    OPT --> MCU
    VBAT --> PIEZO["PAM8904\n18Vpp 压电驱动"]
    PIEZO --> SPK["压电音响 + 声腔"]
    VBAT --> LOW["TLV6002 低量程\n0.3Vpp 起声"]
    LOW --> SPK
    VBAT --> IR["TPS22910A\nIR 接收供电"]
    IR --> IRRX["TSOP38238\n38kHz / 940nm"]
    MCU --> IRRX
    MCU --> LED["红/黄/绿 LED"]
    MCU --> KEY["自检/消音/防拆"]
    MCU --> UART["UART 工装口\nGND/TX/RX/DET"]
    MCU -.-> WIRED["可选有线互联"]
    MCU -.-> RF["可选 4G/LoRa/NB-IoT"]
```

### 4.2 电源树

| 电源 | 来源 | 电压 | 最大电流 | 控制 | 说明 |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- |
| VBAT | 电池 | 3.0 V | 40 mA 脉冲 | 常开 | 反接保护后 |
| VDD_MCU | VBAT | 3.0 V | 10 mA | 常开 | MCU 直接供电，1.65～3.6 V |
| VLED | TPS61023 | 3.6 V | 150 mA | GPIO_VLED_EN | 只在光学采样时开（蓝光/红外 LED 供电） |
| VDD_IR | TPS22910A | 3.0 V | 1 mA | GPIO_IR_EN | 只在火警/故障时开 |
| VDD_OP | TPS22910A | 3.0 V | 2 mA | GPIO_OP_EN | 只在光学采样/音频时开（TLV6002 TIA 与低量程音频共用） |
| VDD_PIEZO | PAM8904 | 3.0 V | 10 mA | GPIO_PIEZO_EN | 只在发声时开 |
| VDD_DIV | VBAT 经 BSS84 | 3.0 V | 1 µA | GPIO_DIV_EN | 只在电池/NTC 测量时开 |

## 5. 关键器件选型

### 5.1 MCU

| 项目 | 选型 | 说明 |
| --- | --- | --- |
| 主控 | **STM32L071KBU6** | Cortex-M0+，128 KB Flash，20 KB RAM，6 KB EEPROM，QFN-32，1.65～3.6 V |
| 低功耗 | Stop + RTC 约 1.1 µA（3.0 V，25 ℃，典型值） | 具体以数据手册和实测为准 |
| ADC | 12-bit，多通道 | 电池、NTC、可选分立 TIA |
| 通信 | USART×2、SPI、I2C×2 | 工装用 USART2；I2C 预留给扩展传感器 |
| 定时器 | 多路 TIM | 音频 PWM、采样时基、看门狗 |
| RTC | 内置 RTC + 32.768 kHz 晶振 | 跨复位保持；断电标记时间无效 |
| 存储 | 6 KB EEPROM | 64 条火警 × 32 B + 诊断 + 参数；如要 128 条可外挂 FRAM（需单独核算功耗） |
| 安全 | 独立看门狗、低压检测、复位原因 | 采样/控制任务不推进不喂狗 |

**替代 MCU**：

| 型号 | 特点 | 适用 |
| --- | --- | --- |
| GD32L233K8 | Cortex-M23，64 KB Flash，16 KB RAM，国产 | 国产二供主控 |
| CS32L010 | Cortex-M0+，低功耗，国产 | 二供备选 |
| HC32L110 | Cortex-M0+，32 KB Flash，低功耗 | 极简版 |
| MSP430FR2355 | 32 KB FRAM，4 KB RAM，内置 4 路信号链 | 分立 AFE 方案，FRAM 便于日志 |
| STM32U031K8 | Cortex-M0+，64 KB Flash，12 KB RAM | 新平台备选 |

### 5.2 光学前端：分立蓝光 + 红外双波长（V2.3 主线）

| 器件 | 选型 | 说明 |
| --- | --- | --- |
| 蓝光 LED | Osram LB QH9G / Kingbright APT1608QBC/D | 470 nm，20～100 mA 脉冲；国产替代逐步导入 |
| 红外 LED | Osram SFH 4550（850 nm）或 Vishay VSML3710（940 nm） | 与蓝光不同角度安装 |
| 主 PD | BPW34 或 TEMD6200 | 400～1100 nm，响应快 |
| 参考 PD | BPW34 / 小面积 PIN PD | 监测 LED 老化与光路污染 |
| TIA（U9） | TLV6002（双通道，1.8 MHz，75 µA/ch） | A 路=主信号 TIA，B 路=参考 TIA；低量程音频另配 U12（见 6.4.2），不复用 |
| 增益 | Rf 1 MΩ，Cf 10 pF | 带宽约 16 kHz，适合 100～200 µs 脉冲 |
| ADC | MCU 12-bit ADC | 3.0 V 参考，0.73 mV/LSB |
| LED 驱动 | DMG2302UK + 限流电阻 | 蓝光 4.7 Ω、红外 27 Ω（初值），由 3.6 V VLED 供电 |

**光路几何（主线设计）**：蓝光前向 30～60°，红外后向 120～150°（或 45° 后向散射），主 PD 置于 90° 方向；参考 PD 只接收 LED 的已知漏光/反射，不直接看烟。具体角度、距离、挡板按烟箱和 SH1～SH4 迭代。归档方案 A 的 CN0537 烟腔 STEP 模型可作几何参考。

**功耗核算（每 4 s 一轮，每通道 1 脉冲 150 µs，约 80 mA）**：

```text
LED：(80 mA × 150 µs × 2 通道) ÷ 4 s ≈ 6.0 µA
TIA（TLV6002 双通道，采样窗 5 ms）：(75 µA × 2 × 5 ms) ÷ 4 s ≈ 0.19 µA
VLED 升压（仅采样窗使能）：<0.1 µA
MCU 唤醒运算（每轮约 2 ms 活动）：≈0.5 µA
光学合计：约 6.8 µA
```

**信噪比与节奏折中**：若需 2～4 脉冲/通道做平均，LED 平均电流成倍上升（4 脉冲约 24 µA，超出 12 µA 预算）——需在脉冲数、脉宽与采样周期间实测折中；成熟产品多用 10 s 轮询 + 报警加速 1 s 的节奏。脉冲期间 ADC 连续多点采样取中值不增加 LED 开销，优先用满。

### 5.3 电源器件

| 功能 | 型号 | 关键参数 | 说明 |
| --- | --- | --- | --- |
| 反接保护 | DMG2305UX-7 | P-MOS，-20 V，-4.2 A，52 mΩ | D 接电池+，S 接 VBAT，G 下拉 |
| 3.6 V 升压 | TPS61023DRLR | 0.5～5.5 V 输入，3.7 A 开关，20 µA IQ | 只在采样时使能；蓝光/红外 LED 供电 |
| 负载开关 | TPS22910A | 1.4～5.5 V，2 A，60 mΩ，低 IQ | IR/OP 电源；注意 A 版低电平使能 |
| 电池分压开关 | BSS84 | P-MOS，-50 V，-130 mA | 默认关断，测量时打开 |
| 电池负载开关 | DMG2302UK | N-MOS，20 V，4.2 A | 内阻测试用 100 Ω 负载 |

### 5.4 音频器件

| 功能 | 型号 | 关键参数 | 说明 |
| --- | --- | --- | --- |
| 高压压电驱动 | **PAM8904JER** | 1.8～5.5 V，18 Vpp@3 V，3x 电荷泵，15 nF 负载，关机 1 µA | 高量程 |
| 低量程缓冲 | TLV6002IDR | 双通道，1.8 MHz，75 µA/ch | 0.3 Vpp 起声 |
| 低量程开关 | TS5A3166DBVR | 5 V，SPDT，0.5 Ω | 切换低量程 |
| 压电音响 | 无源压电，2.5～3.5 kHz，≤15 nF | 3 m SPL ≥88 dB @18 Vpp | 候选 Kingstate KPEG137A30 系列、Murata PKM22EPPH4001-B0，最终按声腔实测 |

**备选（成熟自谐振路线）**：国际 10 年密封款普遍采用“升压 ~9 V + 三脚自激压电（Hartley 自谐振）”驱动，反馈极摆幅约 28 Vpp，始终工作在谐振点、声压最大。缺点是幅度不可编程，无法直接实现 GB 的 45→80～105 dB(A) 渐强曲线。若 PAM8904 18 Vpp 实测声压不足，备选方案为：自谐振压电 + 分级升压（如 3 V/6 V/9 V 三档），渐强曲线改由升压档位切换实现，低量程仍走 TLV6002 通路。

### 5.5 红外、交互、存储、RTC

| 功能 | 型号 | 关键参数 | 说明 |
| --- | --- | --- | --- |
| 红外接收 | TSOP38238 | 38 kHz，940 nm，0.35 mA，2.5～5.5 V | 只在火警/故障时供电 |
| 红/黄/绿 LED | 高亮 0603/0805 | 红 10 mA、黄 1 mA、绿 1 mA | 6 m/500 lx 需实测 |
| 按键 | 3×4 mm 轻触 | 自检、消音、防拆 | 100 nF + ESD |
| ESD | ESD9B3.3ST5G | 3.3 V，SOD-923 | 按键、UART、IR |
| RTC 晶振 | Epson FC-135 32.768 kHz | 7 pF，±20 ppm | 内置 RTC；高精度可选 RV-3028-C7 |
| 可选 FRAM | FM24CL64B | 64 Kb，3 µA 待机 | 仅在需要 128+ 条日志时使用，需核算功耗 |

### 5.6 整机功耗预算

| 项目 | 典型值 | 说明 |
| --- | --- | --- |
| MCU Stop + RTC | 1.1 µA | STM32L071，3.0 V，25 ℃ |
| 光学 LED（蓝+红外，4 s 各 1 脉冲 150 µs/约 80 mA） | 6.0 µA | 脉冲数翻倍则成倍增加 |
| TIA（TLV6002 双通道，采样窗 5 ms） | 0.2 µA | 由 VDD_OP 负载开关控制 |
| VLED 升压静态（仅采样窗使能） | 0.1 µA | TPS61023 IQ 摊薄 |
| MCU 唤醒运算 | 0.5 µA | 每轮约 2 ms 活动 |
| EEPROM/漏电/保护 | 1.0 µA | 估算，需实测 |
| 正常状态短闪 | 0.2 µA | 1 mA × 10 ms / 50 s |
| 电池/NTC 测量 | <0.01 µA | 占空比极低 |
| 设计余量 | 2.5 µA | 温漂、离散、批次 |
| **合计** | **约 11.6 µA** | 目标 ≤12 µA，达标但余量比分立前的集成方案明显收窄 |

即使按 11.6 µA 做 250×336 h 压缩放电，放电量约 974 mAh；2400 mAh 电池可用容量约 1680 mAh，10 年与 7 d 故障储备仍可行，但余量收窄——平均电流必须以整机实测为准，若超预算优先调整采样节奏而不是换电池。

### 5.7 关键计算

| 项目 | 公式 | 示例 |
| --- | --- | --- |
| 电池分压 | Vadc = Vbat × R2/(R1+R2) | 3.0 V × 1/4 = 0.75 V |
| 升压反馈 | Vout = VFB × (1 + R1/R2) | 0.6 V × 6 = 3.6 V |
| LED 电流 | I = (VLED - Vf)/R | 蓝光 (3.6-3.2)/4.7 ≈ 85 mA；红外 (3.6-1.5)/27 ≈ 78 mA |
| TIA 带宽 | f = 1/(2πRfCf) | 1/(2π×1 MΩ×10 pF) ≈ 15.9 kHz |
| 音频负载电流 | I = 2πfCV | 2π×3 kHz×15 nF×0.3 V ≈ 0.085 mA |
| 平均电流 | Iavg = Σ(I×t)/T | 见 5.6 |
| 电池寿命 | t = C×derating/Iavg | 3000 mAh×0.7/6 µA ≈ 40 年（理论上限） |

电池寿命的 40 年是理论上限，不含自放电、温度、报警次数、储存和电池老化；对外承诺必须用实测曲线和 5.14 放电结果支撑。

## 6. 原理图级设计

### 6.1 电源与电池

#### 6.1.1 反接保护

```text
BT1+ ── D ── Q1(DMG2305UX) ── S ── VBAT
                 │
                G ── R1 100k ── GND
                G ── R2 100k ── S
                G ── D1 12V 稳压管 ── S
```

- Q1 为 P-MOS；D 接电池正极，S 接 VBAT，G 经 100 kΩ 下拉到 GND。
- 正常极性：Vgs ≈ -3 V，Q1 导通；反接：Vgs = 0，Q1 关断，体二极管反向阻断。
- R2 为栅源偏置，D1 限制 Vgs，防止高压瞬态。
- 电池端加 C1 10 µF + C2 100 nF。

#### 6.1.2 电池电压与内阻检测

```text
VBAT ── S ── Q2(BSS84) ── D ── R3 3M ── ADC_BAT ── R4 1M ── GND
Q2 G ── GPIO_DIV_EN（低有效）
Q2 G ── R5 100k ── VBAT
ADC_BAT ── C3 1µF ── GND
```

- 分压比 1/4；3.6 V 电池 → 0.9 V，3.0 V → 0.75 V，低于 1.2 V 内部参考。
- 打开时电流 0.75 µA；测量 10 ms，每 6 h 一次，平均可忽略。
- ADC 采样前打开 Q2，等待 1 ms；采样 8 次取平均；采样后关断。
- 内阻检测（可选）：VBAT → R6 100 Ω → Q3(DMG2302UK) → GND；Q3 导通 10 ms，测 VBAT 跌落；只在维护/诊断时做，避免频繁大电流。

#### 6.1.3 3.6 V 升压

```text
VBAT ── L1 2.2µH ── SW
U3(TPS61023): VIN=VBAT, EN=GPIO_VLED_EN, FB=0.6V
VOUT ── 3.6V ── C6 10µF ── GND
FB ── R7 1M ── VOUT
FB ── R8 200k ── GND
FB ── C7 10pF ── VOUT
```

- VOUT = 0.6 V × (1 + R7/R8) = 0.6 × 6 = 3.6 V。
- 初版用 3.6 V；若低温下蓝光 LED 压降升高导致电流不足，可提高到 3.8 V；上限以 LED 规格与 NMOS/运放耐压核算为准。
- 只在光学采样时使能；采样前等待 2 ms，采样后关断。
- 输入端加 10 µF，输出端加 10 µF；SW 节点面积最小化，远离 TIA 输入、ADC 走线和 IR 接收器。

#### 6.1.4 负载开关

```text
VBAT ── VIN ── U4(TPS22910A) ── VOUT ── VDD_IR
GPIO_IR_EN ── ON（低有效）
VDD_IR ── C8 100nF ── GND

VBAT ── VIN ── U5(TPS22910A) ── VOUT ── VDD_OP
GPIO_OP_EN ── ON（低有效）
VDD_OP ── C9 1µF ── GND
```

- TPS22910A 为低电平使能；GPIO 默认上拉/高阻，确保上电关断。
- ON 引脚加 100 kΩ 上拉到 VBAT，避免 MCU 复位期间误开。
- IR 只在火警/故障时开；OP 只在音频/电池测量时开。

### 6.2 MCU 最小系统

| 项目 | 连接 | 说明 |
| --- | --- | --- |
| VDD/VDDA | VBAT 3.0 V | 每个 VDD 脚 100 nF；4.7 µF  bulk |
| VSS/VSSA | GND | 单点接地 |
| NRST | 100 nF 到 GND，10 kΩ 上拉 | 复位 |
| BOOT0 | 10 kΩ 到 GND | 从 Flash 启动 |
| SWD | SWDIO、SWCLK、GND、3.0 V 检测 | 4-pin 1.27 mm 排针；串 100 Ω |
| LSE | PC14/PC15 + FC-135 | 10 pF 负载电容；靠近 MCU |
| VCAP | 按数据手册接 1 µF（如有） | 以 STM32L071KBU6 数据手册为准 |
| 去耦 | 100 nF × 每个电源脚 + 4.7 µF | 靠近引脚 |

**注意**：QFN-32 的具体引脚号以 STM32CubeMX 和最终封装数据手册为准；本文第 7 节给出功能分配，原理图阶段再锁定引脚号。

### 6.3 分立光学前端（双波长）

#### 6.3.1 LED 驱动

```text
VLED 3.6V ── R_BLUE 4.7Ω ── D1 蓝光 LED ── Q4(DMG2302UK) D
Q4 S ── GND
Q4 G ── GPIO_BLUE_PULSE

VLED 3.6V ── R_IR 27Ω ── D2 红外 LED ── Q5(DMG2302UK) D
Q5 S ── GND
Q5 G ── GPIO_IR_PULSE
```

- 蓝光：I ≈ (3.6 - 3.2) / 4.7 ≈ 85 mA；红外：I ≈ (3.6 - 1.5) / 27 ≈ 78 mA。
- 实际值按 LED 正向压降、温度和光腔调整；用参考 PD 归一化。
- 脉冲宽度 100～200 µs；顺序发光，禁止同时导通造成电源跌落。
- NMOS 栅极串 100 Ω 抑制振铃；VLED 仅采样窗使能。

#### 6.3.2 TIA

```text
PD1 阴极 ── TLV6002 A 反相输入
PD1 阳极 ── GND
Rf1 1MΩ 从输出到反相输入
Cf1 10pF 与 Rf1 并联
同相输入 ── 1.5V 偏置（10k/10k 分压 + 100nF）
输出 ── ADC_MAIN

PD2 阴极 ── TLV6002 B 反相输入
PD2 阳极 ── GND
Rf2 100kΩ，Cf2 10pF
同相输入 ── 1.5V 偏置
输出 ── ADC_REF
```

- 带宽：1/(2π×1 MΩ×10 pF) ≈ 15.9 kHz；100～200 µs 脉冲可用。
- 1.5 V 偏置让输出在 0～3 V 中间摆动；ADC 参考 3.0 V。
- PD 反偏可选：BPW34 阳极到 GND，阴极到 TIA 虚地；如需更快响应，可加 1～3 V 反偏，但会增加暗电流。
- TLV6002 电源由 VDD_OP 负载开关控制，只在采样时上电；上电后等待 1 ms 稳定再采样。

#### 6.3.3 参考 PD

- 参考 PD 放在 LED 附近，通过光导/反射面接收已知比例的光；不要直接暴露在烟腔中。
- 用途：LED 老化、温度漂移、发射窗口污染趋势；不替代烟腔污染诊断。
- 如果结构上无法做参考光路，至少保留 LED 电流监测和暗值采样，不能声称“有参考 PD 就能检测所有污染”。

#### 6.3.4 采样时序与光腔要点

- 每轮采样顺序：开 VDD_OP → 稳定 1 ms → 开 VLED → 稳定 2 ms → 暗值采样（不发光）→ 红外脉冲采样 → 蓝光脉冲采样 → 全部关断。
- 脉冲期间 ADC 连续多点采样取中值，抑制单点噪声；LED 顺序发光，禁止同时导通。
- 光腔：黑色哑光、内部挡光筋、Z 形进烟 + 金属防虫网（见 10.2）；蓝光前向 30～60°、红外后向 120～150°（或 45° 后向散射）、主 PD 90°，几何按烟箱迭代；归档方案 A 的 CN0537 烟腔模型可作参考。
- 光窗、LED 和 PD 表面不能三防涂覆；其余 PCB 可涂覆。
- 光腔可拆性：按标准 5.3.7，用户不可拆；污染后由生产者维护或整机更换。

### 6.4 音频驱动

#### 6.4.1 高量程 PAM8904

```text
VBAT ── C10 2.2µF ── VIN
VIN ── C11 1µF ── GND
CP1 ── C12 1µF ── CP2
CN1 ── C13 1µF ── CN2
VOUT ── C14 2.2µF ── GND
VO1 ── PIEZO ── VO2
EN1/EN2 ── 3.0V（3x 模式）
DIN ── MCU TIM PWM（按压电谐振频率，2.5～3.5 kHz）
```

- PAM8904 3x 模式，3 V 供电输出约 18 Vpp；驱动 ≤15 nF 压电。
- 关机电流 ≤1 µA；DIN 停止后约 42 ms 自动待机。
- 输出走线远离 TIA/ADC 和 IR；压电高压环路面积最小。

#### 6.4.2 低量程起声

```text
MCU PWM ── R9 10k ── C15 10nF ── U12(TLV6002) A 反相输入
Rf 10k 从输出到反相输入
Rin 100k 从 PWM 滤波到反相输入
同相输入 ── 1.5V 偏置
输出 ── C16 1µF ── R10 100Ω ── U10(TS5A3166) ── PIEZO
```

- U12 为低量程音频专用运放：U9（TLV6002）的双通道已分别用作主/参考 TIA，不能复用；U12 与 U9 同型号，便于物料归并。

- 反相增益 = -10k/100k = -0.1；输入 0～3 V → 输出 0～0.3 Vpp。
- 2.5～3.5 kHz 时 15 nF 负载电流约 0.07～0.11 mA，TLV6002 可驱动。
- U10 只在低量程时闭合；高量程时断开，避免低通路加载 PAM8904。
- 低量程用于 0 s 初始 ≤45 dB(A)、自检、故障短鸣；高量程用于 3～10 s 渐强后的 80～105 dB(A)。

#### 6.4.3 切换时序

1. 确保 PAM8904 DIN=0、EN=0，U10 断开。
2. 打开 VDD_OP，等待 1 ms。
3. 闭合 U10，MCU PWM 从低占空比开始，2.5～3.5 kHz。
4. 3～6 s 内按声压查表逐步提高 PWM 幅度；3 m 处从 ≤45 dB(A) 升到 85～95 dB(A)。
5. 到 6 s，打开 PAM8904 3x，等待 2 ms；在 PWM 过零点断开 U10；同一路 PWM 同时送 PAM8904 DIN，不需要额外 mux。
6. 报警结束或消音：DIN=0，关 PAM8904，断开 U10，关 VDD_OP。
7. 切换过程必须无高压尖峰；用示波器和声级计同步记录。
8. 切换前必须确认 PAM8904 关机时 VO1/VO2 为高阻；若实测不是高阻，需增加高压隔离开关，或改为单端驱动 + 隔直电容，避免低量程通路被高压输出加载。

### 6.5 红外接收

```text
VDD_IR ── U11(TSOP38238) VCC
GND ── GND
OUT ── R11 100Ω ── MCU GPIO_IR
OUT ── R12 100k ── VDD_IR
VDD_IR ── C17 100nF ── GND
```

- VDD_IR 由 TPS22910A 控制，只在火警/故障时开。
- 输出低有效；MCU 用边沿中断 + 时间戳判断 3 ms 包络。
- 38 kHz、940 nm、3 ms；不要只依赖完整 NEC 协议解码。
- 接收器 AGC 对长载波可能抑制；3 ms 属于短包络，仍需实测不同品牌接收器。

### 6.6 按键、LED、防拆

```text
KEY_SELFTEST ── SW1 ── GND
KEY_SELFTEST ── R13 10k ── 3.0V
KEY_SELFTEST ── C18 100nF ── GND

KEY_HUSH ── SW2 ── GND
KEY_HUSH ── R14 10k ── 3.0V
KEY_HUSH ── C19 100nF ── GND

LED_RED ── R15 100Ω ── D3 红光 ── GND
LED_YELLOW ── R16 1kΩ ── D4 黄光 ── GND
LED_GREEN ── R17 1kΩ ── D5 绿光 ── GND
```

- 红：10 mA，火警确认灯；黄：1 mA，污染保持；绿：1 mA，正常状态短闪。
- 按键加 ESD9B3.3ST5G；按键中文标注“自检”“消音”。
- 防拆开关可选：SW3 常闭到 GND，底座拆下时开路；MCU 检测并记录。

### 6.7 UART 维护口

```text
J2-1 GND
J2-2 TX ── R18 100Ω ── MCU USART2_TX
J2-3 RX ── R19 100Ω ── MCU USART2_RX
J2-4 DET ── 工装短接 GND；R20 100k 上拉到 3.0V ── MCU GPIO
D6/D7 ESD9B3.3ST5G 从 TX/RX 到 GND
C20/C21 100pF 从 TX/RX 到 GND
```

- 不提供 VCC 引脚；工装必须自供电并隔离。
- 工装 TX 电平不得超过 3.0 V；不得通过 TX/RX 的 ESD 二极管给整机反灌供电；必要时加肖特基/理想二极管隔离。
- 未接工装时，MCU 把 TX/RX 配成模拟输入，降低漏电。
- 接口只做成 pogo pad，放在底座内部或需拆底座才能触及的位置。
- 有外部连线时，6.22 传导抗扰可能适用；结构上尽量缩小暴露面积。

### 6.8 可选有线互联/无线

- **有线互联**：3 线 A/B/GND，建议独立型号。RS-485 收发器常开接收电流约 1 mA，不能沿用 12 µA 预算；需低功耗唤醒/比较器方案，或加大电池。
- **无线**：4G/LoRa/NB-IoT 模块独立电源域，load switch + 大电容；平均电流、上报周期、冷启动时延单独核算。
- 基线产品不装射频模块，避免把通信功耗和系统联调变量引入首版。

### 6.9 原理图分页与网络命名

| 图纸 | 内容 | 关键网络 |
| --- | --- | --- |
| S1 电源 | 电池、反接、分压、3.6 V 升压、负载开关 | VBAT、VDD_MCU、VLED、VDD_IR、VDD_OP、ADC_BAT |
| S2 MCU | MCU、晶振、SWD、复位、BOOT0、去耦 | SWDIO、SWCLK、NRST、LSE_IN、LSE_OUT |
| S3 光学 | 蓝/红外 LED 驱动（NMOS+限流）、主/参考 PD、U9 TLV6002 TIA、1.5 V 偏置、VLED 去耦 | VLED、LED_BLUE、LED_IR、ADC_MAIN、ADC_REF、VDD_OP |
| S4 音频 | PAM8904、U12 低量程运放、TS5A3166、压电接口 | PIEZO_P、PIEZO_N、PIEZO_DIN、PIEZO_EN、LOW_PATH_EN |
| S5 交互 | 红/黄/绿 LED、自检/消音/防拆、IR 接收 | LED_RED、LED_YELLOW、LED_GREEN、KEY_*、IR_OUT、VDD_IR |
| S6 维护/扩展 | UART pogo、ESD、可选互联/无线 | SERVICE_TX、SERVICE_RX、SERVICE_DET、BUS_A、BUS_B |

**网络命名规则**：

- 电源：`VBAT`、`VDD_MCU`、`VLED`、`VDD_IR`、`VDD_OP`、`GND`。
- 模拟：`ADC_BAT`、`ADC_NTC`、`ADC_MAIN`、`ADC_REF`。
- 光学控制：`GPIO_BLUE_PULSE`、`GPIO_IR_PULSE`（统一 `GPIO_*` 前缀）。
- 控制：`GPIO_*` 统一前缀，低有效信号加 `_N` 后缀（如 `IR_EN_N`）。
- 高压：`PIEZO_P`、`PIEZO_N`，与其他网络保持间距。

### 6.10 原理图检查清单

- [ ] 蓝/红外 LED 限流电阻按 VLED=3.6 V 实算（蓝 4.7 Ω、红外 27 Ω 为初值），峰值电流不超 LED 与 NMOS 规格。
- [ ] U9 两路 TIA：同相端 1.5 V 偏置（10k/10k + 100 nF），Rf/Cf 就近并联在反相端，输出摆幅在 0～3 V 内。
- [ ] VDD_OP 只在光学采样/音频时打开；TLV6002 上电 1 ms 后再采样。
- [ ] 参考 PD 光路只接 LED 已知漏光，不暴露在烟腔。
- [ ] U12（低量程音频运放）独立于 U9，不与 TIA 复用。
- [ ] PAM8904 的 CP1/CP2、CN1/CN2、VOUT、VIN 电容按数据手册放置。
- [ ] TPS22910A 为低电平使能；GPIO 默认状态确保上电关断。
- [ ] 电池分压开关默认关断；ADC 输入不超过 1.2 V 参考。
- [ ] 压电高压走线远离 TIA/ADC、IR；必要时加屏蔽/开槽。
- [ ] 按键、UART、IR、电池触点有 ESD 器件。
- [ ] 关键测试点：VBAT、VLED、VDD_IR、VDD_OP、ADC_MAIN、ADC_REF、PIEZO_P/N、UART TX/RX、NRST、SWDIO/SWCLK。
- [ ] 电池端预留电流测量跳线/0.1 Ω 采样点。

## 7. MCU 引脚功能分配

| 信号 | MCU 资源 | 方向 | 默认 | 说明 |
| --- | --- | --- | --- | --- |
| BAT_SENSE | ADC_IN0 | 模拟输入 | 高阻 | 电池分压 |
| NTC | ADC_IN1 | 模拟输入 | 高阻 | 10 kΩ NTC |
| SERVICE_TX | USART2_TX | 输出 | 高阻 | 工装 |
| SERVICE_RX | USART2_RX | 输入 | 高阻 | 工装 |
| IR_OUT | GPIO 输入 | 输入 | 上拉 | 红外接收 |
| PIEZO_DIN | TIM3_CH1 | 输出 | 低 | 音频 PWM（2.5～3.5 kHz） |
| PIEZO_EN | GPIO 输出 | 输出 | 低 | PAM8904 使能 |
| LOW_PATH_EN | GPIO 输出 | 输出 | 低 | 低量程开关 |
| OPAMP_EN | GPIO 输出 | 输出 | 高 | VDD_OP 负载开关（低有效） |
| IR_EN | GPIO 输出 | 输出 | 高 | VDD_IR 负载开关（低有效） |
| LED_RED | GPIO 输出 | 输出 | 低 | 红火警 |
| LED_YELLOW | GPIO 输出 | 输出 | 低 | 黄污染 |
| KEY_SELFTEST | GPIO 输入 | 输入 | 上拉 | 自检键 |
| KEY_HUSH | GPIO 输入 | 输入 | 上拉 | 消音键 |
| BAT_DIV_EN | GPIO 输出 | 输出 | 高 | 分压开关（低有效） |
| VLED_EN | GPIO 输出 | 输出 | 低 | 3.6 V 升压使能 |
| BLUE_PULSE | GPIO 输出 | 输出 | 低 | 蓝光 LED 脉冲驱动（Q4 栅极） |
| IR_PULSE | GPIO 输出 | 输出 | 低 | 红外 LED 脉冲驱动（Q5 栅极） |
| ADC_MAIN | ADC_IN2 | 模拟输入 | 高阻 | 主 TIA 输出 |
| ADC_REF | ADC_IN3 | 模拟输入 | 高阻 | 参考 TIA 输出 |
| SWDIO | SWDIO | 双向 | — | 调试 |
| SWCLK | SWCLK | 输入 | — | 调试 |
| LSE_IN/LSE_OUT | PC14/PC15 | 模拟 | — | 32.768 kHz |
| NRST | NRST | 输入 | 高 | 复位 |
| BOOT0 | BOOT0 | 输入 | 低 | 启动 |

**可选扩展**：防拆 `TAMPER`、绿色 `LED_GREEN`、工装检测 `SERVICE_DET`、电池内阻负载 `BAT_LOAD_EN`。QFN-32 引脚号在原理图阶段用 CubeMX 锁定。

## 8. 固件接口与时序

### 8.1 光学采样周期

| 步骤 | 动作 | 时间 |
| --- | --- | --- |
| 1 | RTC 定时唤醒 | 每 4 s（正常）/1 s（候选） |
| 2 | 打开 VDD_OP（TIA 供电） | 等待 1 ms |
| 3 | 打开 VLED 升压 | 等待 2 ms |
| 4 | 暗值采样（不发光，两通道） | ADC 多点 |
| 5 | 红外脉冲 + 主/参考通道同步采样 | 150 µs |
| 6 | 蓝光脉冲 + 同步采样 | 150 µs |
| 7 | 关 VLED、关 VDD_OP | — |
| 8 | 滤波、暗值扣除、蓝/红外比值、阈值判断、污染基线更新 | — |
| 9 | 进入 Stop | 剩余时间 |

### 8.2 电池与温度

- 电池：上电立即测；正常每 6 h；火警/故障时增测。打开分压 → 1 ms → 8 次平均 → 关断。
- 温度：每 60 s 测一次 NTC；用于补偿和高温诊断，不作为火警唯一条件。
- 内阻：维护模式或异常时测；100 Ω 负载 10 ms，测跌落。

### 8.3 音频

- 火警：低量程 0→6 s 渐强，6 s 切高量程；60 s 内禁消音；600 s 消音到期重新渐强。
- 电池故障：低量程短鸣，每分钟至少一次；7 h 消音。
- 自检：低量程短序列；不调用真实火警入口。
- 污染：基线不配独立声音；黄灯保持。若送检前确认“污染故障信号”需要声音，可用低量程通路增加可区分声模式，硬件无需改板。

### 8.4 日志

- 记录体：`format_version, sequence, event_type, year/month/day/hour/minute/second, time_valid, monotonic, blue, ir, battery_mV, fault_bitmap, CRC, commit_marker`。
- 写入：记录体 → CRC → 提交标记；上电只接受完整记录。
- 6 KB EEPROM：64 条火警 × 32 B + 128 条诊断 × 16 B + 参数/校准 ≈ 5.5 KB。
- 如要 128 条火警，外挂 FRAM 或换更大 EEPROM 的 MCU；外挂 FRAM 的 3 µA 待机必须计入预算。

### 8.5 看门狗

- 独立看门狗约 2 s；只有采样、判定、计时、输出任务都推进时才喂狗。
- 复位后重新检测现场烟雾，禁止重建清洁基线；复位不延长静音窗口。

## 9. BOM

| 位号 | 型号 | 封装 | 关键参数 | 数量 | 成本量级 |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- |
| U1 | STM32L071KBU6 | QFN-32 | 128 KB Flash，20 KB RAM，6 KB EEPROM | 1 | $$ |
| U3 | TPS61023DRLR | SOT-563 | 3.6 V 升压，20 µA IQ | 1 | $ |
| U4/U5 | TPS22910A | SOT-23-5 | 2 A 负载开关，低 IQ | 2 | $ |
| U8 | PAM8904JER | U-QFN2020-12 | 18 Vpp 压电驱动 | 1 | $ |
| U9 | TLV6002IDR | SOIC-8 | 双运放：主/参考 TIA | 1 | $ |
| U10 | TS5A3166DBVR | SOT-23-6 | SPDT 模拟开关 | 1 | $ |
| U12 | TLV6002IDR | SOIC-8 | 双运放：低量程音频缓冲 | 1 | $ |
| U11 | TSOP38238 | 3-pin | 38 kHz，940 nm，0.35 mA | 1 | $ |
| Q1 | DMG2305UX-7 | SOT-23 | P-MOS 反接保护 | 1 | $ |
| Q2 | BSS84 | SOT-23 | P-MOS 分压开关 | 1 | $ |
| Q3 | DMG2302UK-7 | SOT-23 | N-MOS 电池内阻负载 | 1 | $ |
| Q4/Q5 | DMG2302UK-7 | SOT-23 | N-MOS LED 脉冲驱动 | 2 | $ |
| D1 | 蓝光 LED 470 nm | 0805 | 20～100 mA 脉冲 | 1 | $ |
| D2 | 红外 LED 850 nm | 0805 | 20～100 mA 脉冲 | 1 | $ |
| PD1/PD2 | BPW34 | SMD | 主/参考光电二极管 | 2 | $ |
| D3 | 红光 LED | 0603 | 高亮，10 mA | 1 | $ |
| D4 | 黄光 LED | 0603 | 高亮，1 mA | 1 | $ |
| D5 | 绿光 LED | 0603 | 高亮，1 mA | 1 | $ |
| D6/D7 | ESD9B3.3ST5G | SOD-923 | 3.3 V ESD | 2 | $ |
| Y1 | FC-135 32.768 kHz | 3.2×1.5 | 7 pF，±20 ppm | 1 | $ |
| P1 | 压电音响 | 定制 | 2.5～3.5 kHz，≤15 nF，3 m ≥88 dB | 1 | $ |
| BT1 | CR17450 | 焊片 | 3.0 V，2400～3000 mAh | 1 | $$ |
| — | 阻容/电感/接插件 | 0402/0603 | — | 若干 | $ |
| — | PCB + 贴装 | 4 层 | — | 1 | $$ |

**说明**：成本量级为 `$`（小于 0.5 美元）、`$$`（0.5～2 美元）、`$$$`（大于 2 美元），仅用于方案比较，实际以询价为准。V2.3 起光学前端为分立（D1/D2 + PD1/PD2 + Q4/Q5 + U9 TIA）；原 U2（1.8 V LDO）、U6（ADPD188BI）、U7（PCA9306）随方案 A 归档移除；新增 U12 承担低量程音频（U9 双通道已被 TIA 占用，不可复用）。

### 9.1 单台硬件成本估算（V2.2 新增）

> 口径：2026-10 估算价，人民币，参考授权分销/现货行情，含税概算；分 1k 和 10k 两档。**未经正式询价，误差 ±20%～30%，下单前以正式报价为准。**不含研发、模具、认证等一次性投入（见文末注 3）。

**（1）电子 BOM**

| 模块/器件 | @1k（¥） | @10k（¥） | 说明 |
| --- | --- | --- | --- |
| 光学分立前端（D1/D2 蓝光/红外 LED、PD1/PD2、Q4/Q5、Rf/Cf 网络） | 5～10 | 4～8 | Osram/Kingbright LED + BPW34；一致性靠来料筛选与每台标定 |
| STM32L071KBU6（U1） | 12～18 | 10～14 | 换国产 GD32L233K8 可省约 5～10 元（二供已评估） |
| CR17450 锂锰电池 2400 mAh 焊片 | 9～15 | 8～12 | 力佳/FANSO 等国产电芯；3000 mAh 需更大规格或定制，价格上浮 |
| 音频（PAM8904 + U12 TLV6002 + TS5A3166 + 压电片） | 13～19 | 11～16 | 压电片按 27 mm 级金属片估；声腔归注塑件 |
| 红外接收 TSOP38238（U11） | 4～6 | 3～5 | 国产接收头可到 1.5～3 元 |
| 电源（升压 + 负载开关×2 + MOS×5） | 8～12 | 6～9 | TPS61023/TPS22910A 等 |
| 晶振、LED×3、ESD×2、阻容/电感/接插件 | 3～6 | 2.5～5 | |
| **电子 BOM 小计** | **约 55～85** | **约 45～70** | |

**（2）结构、制造与产线**

| 项目 | @1k（¥） | @10k（¥） | 说明 |
| --- | --- | --- | --- |
| PCB（4 层） | 2.5～4.5 | 2～3.5 | 尺寸按光腔/外壳布局冻结后核 |
| SMT 贴装 + AOI + 功能测试 | 3～6 | 2.5～5 | |
| 注塑件（光腔 + 外壳 + 底座） | 4～8 | 3～6 | 黑色哑光 PC/ABS；模具费另计 |
| 防虫网 + 导光柱 + 紧固件 | 0.5～1.5 | 0.5～1.2 | |
| 包装 + 中文说明书 | 1～2 | 1～1.5 | |
| 出厂标定/老化工时与设备摊销 | 2～5 | 2～4 | 每台暗底/增益标定、功能测试、简短老化 |
| **小计** | **约 13～27** | **约 11～21** | |

**（3）单台合计与定位判断**

| 口径 | 单台硬件成本 |
| --- | --- |
| @1k（样机/小批） | **约 70～110 元** |
| @10k（量产） | **约 55～90 元** |

**注：**

1. **V2.3 分立化后电子 BOM 约 45～70 元**，"贵芯片"问题消除；成本重心转为电池（8～12 元）、MCU（10～14 元）与音频（11～16 元），结构占比健康。代价是研发风险从"BOM 贵"转为"光路一致性攻关"（见 11.2 首要风险）。
2. **市售对照（2026-10 实查，价格带分层且持续下探）**：① **基础合规款已到 30～50 元档**——京东自营惠象 S1E 独立式补贴价约 34 元，参数逐条对应新国标（渐强 <45→84 dB、污染报警、三色灯、5 年电池），大概率真合规，路线为单红外低成本方案而非双波长；② 消费级标杆**小米烟感卫士 2 首发到手价 149 元**（红蓝双光、BLE Mesh、CR17450 五年电池，2026-06 开售）；③ 工程/联网渠道 **大华 DH-HY-SA2GA-A（4G 版）约 120～180 元**（已用于招投标）；④ 老国标/白牌 5～30 元（标称"新国标"者仍需逐款在 cx.cnca.cn 核对 3C 证书与标准版本，虚标依然存在）。**对照本方案 BOM（10k 约 55～90 元）：149 元消费级价格带已有正常毛利空间；对 34～50 元基础款仍有差距（对方单红外 BOM 更低）。本方案差异化 = 双波长抗误报，宜定位 80～150 元档，以"不误报"卖点与基础款错位竞争。**
3. **不含一次性投入（NRE）**：光腔+外壳注塑模具约 20～40 万元；型式试验与 3C/CCCF 认证约 20～50 万元；自建烟箱、声学、EMC 预测试设备约 10～30 万元。按预计产量另行摊销。
4. **降本杠杆（V2.3 主线）**：① MCU 国产化（GD32L233K8，省约 5～10 元）；② 红外接收头国产化（省约 2～3 元）；③ LED/PD 国产替代（省约 2～4 元，需一致性验证）；④ 阻容与结构件国产化。合计约 10～18 元/台，量产阶段逐项落实。
5. 汇率、关税、交期波动对进口器件（TI、ST 等）价格影响明显，量产前锁定价格与库存；光学件优先推进国产双供。

## 10. PCB、结构与 EMC

### 10.1 层叠与布局

- 建议 4 层：Top Signal / GND / Power / Bottom Signal。
- LED/PD 对管与光腔一体化布置；U9 TIA 紧邻 PD，微弱电流路径最短；VLED 升压、PAM8904、电池和 MCU 分区布置。
- VLED 升压 SW 节点面积最小；远离 TIA 输入、ADC 走线和 IR 接收器。
- 压电高压走线短、宽，远离 TIA/ADC；与低压信号保持 ≥2 mm 间距。
- 模拟地与数字地在 U9 TIA 处单点汇合；不要让数字回流穿过模拟地。
- PD 引线最短并两侧包地；TIA 的 Rf/Cf 就近放置。

### 10.2 光腔与结构

- 黑色哑光 PC/ABS；内部挡板避免 LED 直射 PD。
- 参考国际成熟结构：迷宫整体包裹细金属防虫网 + 窄缝进烟，再由内部挡光筋消除杂散光；网布孔径与缝隙尺寸需同时满足 1.3±0.05 mm 球规、防尘沉积与进烟阻力（烟阻过大将拖慢响应），按烟箱实测迭代。
- 进烟路径 Z 字形，兼顾 1.3±0.05 mm 球规和粉尘沉积；有效通道先按 ≤1.0 mm 目标。
- 防虫网可拆？按 5.3.7 用户不可拆；由生产者维护。
- 蓝光前向、红外后向；参考 PD 只看已知光路，不看烟。
- 光窗、LED 和 PD 表面不能三防涂覆；其余 PCB 可涂覆。
- 6 m/500 lx 指示灯可见性用导光柱和遮光筋解决，不靠提高 LED 电流硬堆。

### 10.3 EMC 与 ESD

- 按键、UART、IR 窗口、电池触点加 ESD 器件；3.0 V 逻辑用 3.3 V TVS，电池触点用 5～12 V TVS。
- VLED 升压和 PAM8904 加 LC/RC 滤波；必要时扩频/缓启动。
- 晶振、复位、BOOT0、SWD 走线短，避免悬空。
- UART 只做 pogo pad；如结构允许外部电缆，按 6.22 评估传导抗扰。
- 软件加采样有效性、CRC、去抖、超时恢复；不能用试验模式屏蔽报警来掩盖抗扰问题。

## 11. 验证与风险

### 11.1 关键验证

| 项目 | 目标 | 方法 |
| --- | --- | --- |
| 平均电流 | ≤12 µA | 电池端高精度表/电流积分，含所有周期任务 |
| 报警电流 | ≤40 mA | 火警、IR、LED 全开 |
| 3 m 声压 | 初始 ≤45；3～10 s 80～105 | 自由声场，额定/VE，记录完整曲线 |
| 72 h 音响 | 50 次转换后连续 72 h | 稳压电源，试后声压 |
| 250×336 h | 放电后声压、7 d 故障、4 min 火警 | 按 6.11 |
| 光学阈值 | B 型 m_min≥0.15；比值 | 烟箱，方位/重复性/一致性 |
| SH1～SH4 | 结束前报警 | 阈值最大的 4 只，最不利方位 |
| 粉尘 | 6.25 全流程 | 100±30 mg/m³，0.4 m/s，1 h+1 h |
| EMC/ESD | 10 V/m、140 dBµV、8/6 kV | 按 6.21～6.23 |
| 反接 | 15 s/2 h，恢复后阈值 | 按 6.10 |

### 11.2 主要风险

| 风险 | 后果 | 措施 |
| --- | --- | --- |
| 分立光路一致性（V2.3 主线首险） | 光腔/TIA/批次离散导致方位、重复性、一致性或 SH1～SH4 不达标 | 3D 打印光腔 + 烟箱多轮迭代；LED/PD 来料筛选与配对；每台 EEPROM 出厂标定；用 ADPD188BI 评估板作对标基准；连续不达标时回退归档方案 A |
| 光腔未优化 | 阈值一致性差、SH1/SH2 漏报 | 早期做 3D 打印光腔 + 烟箱迭代 |
| 18 Vpp 声压不够 | 3 m 达不到 85 dB | 选高 SPL 压电 + 声腔；必要时改用更高输出的压电驱动或提高驱动电压 |
| 黄灯/IR 7 d 耗电 | 故障储备不足 | 黄灯 1 mA、IR 0.35 mA，按 350 mAh 储备核算；2400 mAh 偏紧，建议 3000 mAh |
| TIA 漏电与上电时序 | 待机超标或采样漂移 | 实测 VDD_OP 关断漏电；TLV6002 上电稳定 1 ms 后再采样 |
| 升压/压电干扰 TIA/ADC | 误报/阈值漂移 | 分区、屏蔽、缓启动、软件有效性检查 |
| 单键方案 | 5.3.5.2 解释风险 | 基线用独立双键；如做单键先与检测机构确认 |
| A/B 型选择 | 认证/宣传不一致 | 硬件支持 A 型，首版可先按 B 型固定阈值申报 |

### 11.3 待冻结项

1. 电池料号、容量、内阻、低温脉冲能力、V_E。
2. 分立光路最终参数（LED 电流/脉宽/脉冲数、TIA 的 Rf/Cf、光腔几何与角度）与采样节奏（4 s 或放宽到 10 s 的折中）。
3. 压电音响料号、声腔、PAM8904 输出模式、渐强查表。
4. 黄灯/IR 电流与 7 d 故障储备的最终核算。
5. 6 KB EEPROM 的日志条数（64 或外挂 FRAM）。
6. UART pogo 的结构位置和 6.22 适用性。
7. 是否做 A 型三级、是否做有线互联/无线型号。

## 12. 资料来源

以下为本文市场分析和器件选型的主要公开来源，访问日期 2026-10-30：

1. 高新投三江 JTY-GD-H510C 新国标获证报道：<https://mtz.china.com/touzi/2026/0611/240487.html>
2. 大华 DH-HY-SA2GA-A 产品页（GB 20517-2025、3000 mAh、≤15 µA、≤40 mA）：<https://cn.wisualarm.com/cn/Products/%E6%99%BA%E6%85%A7%E6%B6%88%E9%98%B2/DH-HY-SA2GA-A>
3. 小米烟感卫士2 发布报道（红蓝双光、CR17450、5 年）：<https://caifuhao.eastmoney.com/news/20260604005606726441620>
4. 赛特威尔 GS530C-1CTDR 新国标产品报道：<https://www.zhanhuiku.com/zixun/6638.html>
5. 赛特威尔参与标准编制：<https://www.china-siter.cn/news_detail/39.html>
6. 泛海三江双光谱探测模组报道：<http://www.sjxffire.com/news/shanxi_industrynews/129.html>
7. 智联卫士 ZL-AG02/AL02 新国标产品页：<https://www.zhilianweishi.com/industry/353.html>
8. 海湾新国标全产品线报道：<https://tech.china.com:8000/articles/20260310/202603101821713.html>
9. 小米第一代烟感拆解（TLV6002、低功耗 MCU、单 IR 对管）：<https://www.ednchina.com/news/20170713xiaomi.html>
10. CC-80 烟感拆解（Holtek HT45F23A、单 IR 对管、压电、RF433）：<https://www.eet-china.com/mp/a411490.html>
11. 光电烟感拆解与光迷宫结构：<https://blog.csdn.net/butter/article/details/152499486>
12. ADPD188BI 数据手册：<https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/adpd188bi.pdf>
13. ADPD188BI 烟感测试应用笔记 AN-1567：<https://www.analog.com/en/resources/app-notes/an-1567.html>
14. PAM8904 数据手册：<https://www.diodes.com/datasheet/download/PAM8904.pdf>
15. STM32L071 数据手册：<https://www.st.com/resource/en/datasheet/stm32l071v8.pdf>
16. TPS7A02 数据手册：<https://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps7a02.pdf>
17. TPS61023 数据手册：<https://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps61023.pdf>
18. TSOP38238 数据手册：<https://www.vishay.com/docs/82459/tsop382.pdf>
19. PCA9306 数据手册：<https://www.ti.com/lit/ds/symlink/pca9306.pdf>
20. TLV6002 数据手册：<https://www.ti.com/lit/ds/symlink/tlv6002.pdf>
21. TS5A3166 数据手册：<https://www.ti.com/lit/ds/symlink/ts5a3166.pdf>
22. TPS22910A 数据手册：<https://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps22910a.pdf>
23. RE46C190 单芯片 10 年密封光电烟感拆解（升压 6/9 V、三脚 Hartley 自谐振压电、网罩迷宫、EEPROM 标定）：<https://tomverbeure.github.io/2020/04/10/Smoke-Detector.html>
24. Microchip RE46C190 Demo Board User's Guide：<https://ww1.microchip.com/downloads/aemDocuments/documents/OTH/ProductDocuments/MISC/RE46C190_Demo_Board_Users_Guide.pdf>
25. NXP MC145012 光电烟感 IC 数据手册：<https://www.nxp.com/docs/en/data-sheet/MC145012.pdf>
26. ADI CN0537 烟感参考设计通过 UL 217 第 8 版报道：<https://www.electronicsweekly.com/news/design/smoke-alarm-reference-design-meets-ul-217-8th-edition-2020-11>
27. Holtek 语音烟感方案 WAS-1811（BA45F5250，双通道 AFE+双 IR 恒流+16-bit ADC）：<https://www.holtek.com/page/applications/detail/WAS-1811>
28. Holtek 9 V 独立烟感参考设计 WAS-2285（BA45F5420）：<https://www.holtek.com/webapi/5905185/WAS-2285EN_ReferenceDesign.pdf>
29. Holtek Smoke Detector Workshop：<https://www.holtek.com/page/tool-detail/dev_plat/security/Smoke_Detector_Workshop>
30. 中消云 TX3191-M NB-IoT 烟感：<http://fire.zxycloud.com/news_details.html?conId=1265>
31. Electrical Forensics 烟感拆解合集：<https://electrical-forensics.com/SmokeAlarms/Smoke_Alarm_Teardowns.html>
32. 更多来源与拆解细节见[市面成熟烟感硬件方案调研](./市面成熟烟感硬件方案调研.md)第 7 节。

> 说明：竞品公开资料未披露主控/AFE 型号和完整 BOM；本文的器件选型是独立参考设计。正式认证、送检和量产前，应以 CCCF 证书、标准原文、器件正式数据手册和样机实测为准。