一種新型智能插座的設計

安晉彤

（西安郵電大學陜西西安710121）

對于帶有適配器的家用電器，如顯示器、筆記本電腦、充電器等，隨著設備增多，適配器損耗現象就表現的過于突出[1]。而且，由于適配器中常配有龐大沉重的變壓器，攜帶起來十分不便。本設計將原有的適配器—電器配對關系打斷，將所有連接到插座上的電器經統一的變壓-整流-穩壓后，通過程控電源組和MCU智能選擇的電流通路向用電器供電。同時以低功耗單片機作為處理核心保障設備運行平穩安全，從而達到高效、智能、快速的目的。

1 系統綜述

本設計以低功耗單片機為核心，輔之以變壓整流網絡、程控電源組、場效應管通流陣列及反饋監控系統，系統網絡如圖1所示。

圖1 系統網絡示意圖

用電器未接入時，插座默認關閉市電的接入以保證系統和人員安全。當終端設備接入時，核心MCU通過信號交換接口與終端設備進行通信，獲取設備所需電壓、電流和最大功率等信息，然后接入市電，經變壓、整流、穩壓一系列操作后輸出恒定的直流電壓。將此電壓作為程控電源組的輸入，以用電器所需電壓為標桿調節程控電源組某輸出節點的電壓，并智能分配連通場效應管通流陣列，將輸出直流電壓接入正確的插頭。與此同時，反饋監控系統監視輸入輸出電參數，確保插座和用電器的安全使用。

同樣，本插座也可以通過相同的接口和協議，經上一級智能插座連接更高級服務器，上傳各種信息，用來向物聯網方向進行擴展。

2 信號交換接口

2.1 外形結構

用電器與插座之間應使用相同的接口以保證信號交換的穩定性與準確性。為簡單起見，除在插接頭中間加入信號交換接口外，插座基本要求仍遵守GB2099.3-2008[2]和GB1002-2008[3]的規定。所設計的插座與用電器插頭結構如圖2所示。

圖2 插頭與插座外形

圖中插座上突出的方形塊為信號交換頭（公頭），插頭上凹下的方形槽為信號交換槽（母頭）。當插頭插入時，公母頭恰好合體，構成數據交換通路。

2.2 接口構造

信號交換頭截面圖如圖3（a）所示。

圖3 信號交換頭截面圖與俯視圖

當用戶插上用電器插頭時，電極P1會向下按壓插座底部的T1。同時T1所在的杠桿圍繞支點O轉動，從而推動插接頭P2彈出。此時插座插頭完全合體，P2恰好插入信號交換槽中。信號頭上的電極與插頭中的簧片S2相觸碰，保證電極接觸穩定性。當用戶拔下插頭時，T1所在杠桿在彈簧J的拉動下復位，信號交換頭P2收回。當沒有用電器接入時，信號交換頭自動收入，從而保護電極不被損壞。

信號交換頭俯視圖如圖3（b）所示，信號頭的四周都有電極。按照“左零右火”的原則[3]，公頭的左右兩側分別為公共地和5 V電壓，以供母頭內芯片的使用。上下兩側分別為“用電器→插座”的回饋信號引腳Pin和“插座→用電器”的命令信號引腳Pout。

2.3 通信協議

所設計通信協議格式如下：

3-bits PRV 12-bits DATA 1-bit CHK

一組數據共16位，頭3位為信號的優先級（優先級見表1），中間12位為信號本體，末1位為奇偶校驗位[4]，采用串行全雙工通信。在插座或用電器識別芯片接收串行信息時，首先檢測優先級。若有高優先級信號傳入，則立刻放棄當前任務，轉而去執行所請求的任務。

表1 信號優先級

當插頭插下后，首先由公頭向母頭內的識別芯片供電，插座向識別芯片發送“中優先級”的設備識別碼請求命令，等待用電器識別芯片反饋后，插座MCU讀取其中的額定電壓、電流、功率值，調整程控電源組、通流陣列和反饋監控系統的設置，使其適應所插入的用電器。待調整完成后，再向用電器供電。接收到用電器反饋“用電器接通”信號后，系統進入正常監視工作狀態。當反饋監視系統發現有觸電、過壓等情形出現，或識別芯片上報用電器運轉不正常時，插座將啟動應急預案，即刻關閉用電器的供電，同時上報消息到高一級服務器。當用戶通過移動終端設備查看電器的狀態時，插座將通過問詢識別芯片的方式獲得需要的信息，并反饋回服務器、告知用戶[5]。為了確保用電器正常運轉，需要每隔一定時間發送低優先級的例行檢查命令，若插座接收到特定的一組消息，則可確定設備運轉正常，未出現死機情況。

3 變壓整流電路設計

本模塊為插座系統與市電的唯一接口，因此需要額外注意電氣隔離，如圖4所示。

圖4 變壓-整流-穩壓電路

在將220 V市電降壓到安全電壓后，使用同步整流的方法可以獲得比橋式整流更小的功率損耗[6]。在經電容簡單濾波后，使用降壓芯片可以獲得較穩定的恒壓輸出Vs，例如德州儀器公司的LM5117[7]、TPS54561[8]等。此電壓為后級程控電源組的輸入電壓，即為用電器的“源電壓”，因此要特別注意其EMI、散熱和紋波等特性，保證在功率允許范圍內獲得可靠、穩定的恒壓輸出。

4 程控電源設計

一個排插上不止一組插座，因此涉及到多組程控電源之間的連接關系。大體上，按照組合方式的不同可將電源組劃分成并聯式、串聯式和串并混合式電源組，如圖5所示。

圖5 3種電源組合方式

4.1 并聯式電源組

如圖5（a），此種組合方式可以承載較大的負載功率，但是由于各個分電源輸出特性之間的差異，導致一些電源承載電流過大而其他電源輸出電流過小，增加電源組損壞的幾率，甚至增加用電器損壞的幾率[9]。而且，當用電器需要較小電壓時，Buck拓撲中所需要的開關信號占空比就很小。有些低功耗單片機為了達到節能的目的而降低了主頻[10]，此時若開關信號頻率過大，則有可能無法送入驅動管正確的占空比信號。

4.2 串聯式電源組

如圖5（b），雖然串聯組合方式可以達到均流，但是當電流過大而燒壞某個分電源時，整個電源組就無法工作了。而且電源串聯組合會致使開關電源輸出紋波電壓的累積，引發最終輸出電壓極不穩定。因此，此種組合方式只適合輸出電流較小且分電源較少的場合，對于通用的場合并不適用。

4.3 串并混合式電源組

如圖5（c），為承載較大的功率，先使用并聯法將電源分成若干組，再在各組內串聯電源。這樣均衡了串聯式和并聯式兩種組合方式的優勢，既可以承載較大功率又不必擔心某分電源損壞導致電源組整體都無法使用。

綜上所述，在本設計中采用串并混合式電源組，如圖6所示。

圖6 程控電源組電路圖

各分組均使用Buck拓撲[11]，電源組V1與V2串聯，再與V3、V4組合并聯。利用MCU計算和輸出特定占空比的高頻開關信號到S1～S4，FB1～FB4作為反饋端口將輸出口電參數返回MCU，完成閉環穩恒電壓輸出。

5 場效應管流通陣列

由于程控電源組的組合方式，導致插座實際輸出電壓與電源組的配對是隨機的。因此需要一個可編程的場效應管通流陣列，將插座輸出口與電源輸出電壓相配對。現以二階通流陣列為例進行說明，如圖7所示。

圖7 二階場效應管流通陣列

經實驗可得，通常情況下當插座數與電源組輸出端口數都為N時，通流陣列為N×（N-1）×（N-1）的長方體。如圖7（b），其中通路為各個場效應管的漏源通路，并將每個管的柵極引出作為控制端。在MCU的控制下，智能地分配各個管子導通與關斷，形成從電源組輸出電壓P1、P2到插座頭V1、V2之間的電流通路。

本設計可以通過MCU選擇合適的通路，與固定電源組輸出電壓-插座頭配對關系相比操作更加靈活。某些功率電器，如熱水壺等無需供給直流電[12]，因此可以通過MCU檢測控制通流陣列直接連接市電和用電器。在固定配對關系中，一旦某條輸出線損壞，則意味著插座頭與該電源組輸出口均無法再次使用，造成器件的閑置與資源的浪費。而在動態的配對關系（通流陣列）中，若某場管燒毀，則可以通過MCU檢測出來并在選擇通路時加以屏蔽。這樣一來，既可以保證電路安全又可以增加插座的使用壽命。而且，由于通流陣列為立體結構，因此有足夠的空間配備散熱片，減小陣列燒毀的可能性。

6 反饋監控系統

插座在使用過程中，由于人為和自然因素，或多或少會出現過流、過壓等極限狀況，此時就需要插座進行應急響應，以確保用戶的生命和財產安全。反饋監控系統在此系統中需要做到快速、高效。所謂快速，即是在出現極限情況時要快迅速進行響應，通知MCU采取有關應急措施；而高效是指在未出現緊急情況時，監控系統應保持低功耗運行狀態，減少能量的額外浪費。

觸電是常見的緊急狀況，應當單獨配置防觸電裝置進行快速響應[13]。當例行檢查無響應或識別芯片上報用電器運轉不正常時，應首先通報MCU，MCU根據問題的急迫性采取相應的措施，如降壓、限流或關閉供電等。與此同時，還應注意如雷電之類的自然破壞因素對設備的影響，在內部電路中設置阻感衰減網絡或獨立的過壓快速響應裝置以減小瞬時高壓對系統的破壞沖擊[14]，在外部也應增強外殼的絕緣強度，降低接地電阻等[15]，以避免雷電對插座和用電器的損壞。

7 結束語

綜上，將市電經統一的變壓-整流-穩壓后，通過程控電源組和MCU[16-17]智能選擇的電流通路向用電器供電可以減小用電器獨自變壓-整流引起的功率損耗，增加插線板的使用壽命。并且在設計中，所有模塊均以MCU為核心，在使用更加智能化的同時，增加了設備的可擴展性。

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