單火線供電智能開(kāi)關(guān)取電回路的設(shè)計(jì)與研究

惠亮亮，王開(kāi)銘，陳華泰，王江彬

（1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，渭南714000；2.國(guó)網(wǎng)白銀供電公司，白銀730900；3.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，西安710049）

智能開(kāi)關(guān)因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)成為傳統(tǒng)機(jī)械式墻 壁開(kāi)關(guān)的更新?lián)Q代產(chǎn)品，它為智能家居的實(shí)現(xiàn)提供了一個(gè)良好的思路，也為遠(yuǎn)程智能控制提供了可行性，使家居燈光控制和電器開(kāi)關(guān)控制變得更加智能化和人性化[1-4]。 同時(shí)，國(guó)內(nèi)外普通家庭大多為單火線布線，由于金屬導(dǎo)線越來(lái)越昂貴，多走一根線的成本遠(yuǎn)高于開(kāi)關(guān)本身實(shí)施單火線增加的成本，所以近年來(lái)生產(chǎn)智能開(kāi)關(guān)的廠家及相關(guān)科研人員都在單線制這一技術(shù)領(lǐng)域投入了大量的人力和物力進(jìn)行研究。 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，墻壁開(kāi)關(guān)單火線接入的供電技術(shù)有了重大突破，使得具有不同功能的單火線供電智能開(kāi)關(guān)變得切實(shí)可行，因而關(guān)于單火線供電的智能開(kāi)關(guān)成為研究熱點(diǎn)[5-8]。但是由于自身工作原理及負(fù)載特性的限制，目前制約這種開(kāi)關(guān)大量普及的因素比較多，一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題是沒(méi)能很好地解決其在待機(jī)狀態(tài)時(shí)的取電問(wèn)題[9-13]。

通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外智能開(kāi)關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，描述并分析了單火線取電技術(shù)的基本工作原理，詳細(xì)闡述了單火線供電的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，對(duì)所提的兩種單火線供電取電回路方案進(jìn)行了分析和論證。通過(guò)搭建實(shí)際的實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)電源模塊輔助取電回路設(shè)計(jì)方案的正確性和有效性。

1 單火線供電的工作原理

單火線供電電源是智能開(kāi)關(guān)中最重要的組成部分，其核心就是單火線取電技術(shù)。 對(duì)于取電回路的設(shè)計(jì)，事實(shí)上就是在一個(gè)能夠代替機(jī)械開(kāi)關(guān)的回路中，設(shè)計(jì)出一個(gè)取電回路，該回路由單火線電路來(lái)供電，通過(guò)這個(gè)取電回路能夠得到電子開(kāi)關(guān)所需要的電源[14]。 單火線取電原理框圖如圖1 所示。

圖1 單火線取電原理框圖Fig. 1 Block diagram of single-fire-wire power-taking

圖1 中，智能開(kāi)關(guān)串接在火線上控制負(fù)載燈泡的通斷，即單火線智能開(kāi)關(guān)控制模塊S 控制火線L1和L2的通斷，負(fù)載的另一端接于零線上，在該回路中，智能開(kāi)關(guān)取代了機(jī)械式墻壁開(kāi)關(guān)。 該回路由兩部分組成，一部分是控制模塊，即電子開(kāi)關(guān)，包括信號(hào)的接收器件和繼電器等；另一部分是待機(jī)取電電路，通過(guò)該電路為模塊提供正常工作所需的電源。

單火線智能開(kāi)關(guān)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要分為電源板和控制板兩大部分。 以單鍵的單火線智能開(kāi)關(guān)為例，其待機(jī)狀態(tài)下的單火線開(kāi)關(guān)電源板等效電路如圖2 所示。

圖2 待機(jī)時(shí)單火線開(kāi)關(guān)電源板等效電路Fig. 2 Equivalent circuit of single-fire-wire switch power supply board in standby mode

單火線取電的智能開(kāi)關(guān)電源板，在待機(jī)時(shí)通過(guò)2 根火線L1和L2之間的電壓差來(lái)取電， 以滿足智能開(kāi)關(guān)面板待機(jī)狀態(tài)下的正常工作。

當(dāng)單火線智能開(kāi)關(guān)由待機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)時(shí)，2 根火線之間的壓差接近于0，市電電壓基本降落在負(fù)載上，此時(shí)單火線智能開(kāi)關(guān)的待機(jī)取電回路失效。 電源板利用MOS 管作為電路正常工作時(shí)取電回路的重要器件設(shè)計(jì)了一條工作取電回路，如圖3 所示。

圖3 工作取電回路Fig. 3 Power-taking circuit under operation

當(dāng)負(fù)載阻抗非常大時(shí)，單火線智能開(kāi)關(guān)待機(jī)狀態(tài)下，2 根火線L1和L2之間的電壓差在待機(jī)取電回路中產(chǎn)生的電流不足以使電路正常工作，由于一般的單火線智能開(kāi)關(guān)都預(yù)留有零線接口，這時(shí)若接入零線搭接零線取電回路可以有效解決上述問(wèn)題。零線取電回路對(duì)負(fù)載沒(méi)有最小功率限制，其原因是零線取電回路由火、 零線之間的固定壓差取電，不受負(fù)載阻抗的影響，但是這種雙線制的接法應(yīng)用范圍會(huì)受到限制，一般情況下不予采用。 單火線智能開(kāi)關(guān)的待機(jī)零線取電回路如圖4 所示。

由于控制模塊處于隨時(shí)接受指令的狀態(tài)，因而必須保證單火線智能開(kāi)關(guān)一直處于待機(jī)狀態(tài)，即待機(jī)取電回路正常工作。 當(dāng)發(fā)出接通的指令后，控制模塊控制繼電器由斷開(kāi)轉(zhuǎn)為閉合， 火線L1和L2正常接通，負(fù)載開(kāi)始工作，此時(shí)也要保證取電電路獲得合適的電流提供給電子開(kāi)關(guān)；當(dāng)發(fā)出斷開(kāi)的指令后，控制模塊控制繼電器由閉合轉(zhuǎn)為斷開(kāi)，負(fù)載斷開(kāi)，停止工作。

圖4 待機(jī)零線取電回路Fig. 4 Standby zero-line power-taking circuit

對(duì)于單火線供電智能開(kāi)關(guān)，待機(jī)取電電路的供電方法一般采用阻容降壓整流濾波或變壓器降壓整流濾波。 當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，由于開(kāi)關(guān)的控制電路需要維持正常待機(jī)工作，會(huì)消耗較小的功率，而在開(kāi)關(guān)開(kāi)啟的瞬間，會(huì)消耗較大的功率，用繼電器作為開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)元件更是如此[15]。 即使控制電路及微控制器在開(kāi)關(guān)閉合時(shí)的待機(jī)功耗很低，但為了保證開(kāi)關(guān)的正常開(kāi)啟，需要較大的啟動(dòng)電流，大于或等于開(kāi)關(guān)的最大工作電流。

2 取電回路設(shè)計(jì)

對(duì)于單火線取電回路的設(shè)計(jì)，主要是設(shè)計(jì)出待機(jī)時(shí)的取電回路，即從交流電得到低壓直流，最基本的思路便是整流、降壓和穩(wěn)壓。 整流可以通過(guò)整流二極管；降壓可以通過(guò)大電阻進(jìn)行分壓；穩(wěn)壓通過(guò)電感和電容進(jìn)行。 基于這個(gè)基本思路，便可以得到一個(gè)簡(jiǎn)單的待機(jī)取電回路，如圖5 所示。

圖5 待機(jī)取電回路1Fig. 5 Standby power-taking circuit 1

該待機(jī)取電回路是一種最簡(jiǎn)單的取電回路，雖然它可以滿足基本的要求， 但分析表明其待機(jī)功耗還達(dá)不到要求。 事實(shí)上整流部分也可以通過(guò)二極管整流橋來(lái)實(shí)現(xiàn)，電路如圖6 所示。圖6 將圖5 中待機(jī)取電回路的二極管整流設(shè)計(jì)成橋式整流電路， 但要使這個(gè)回路正常工作， 就必須在回路中加入復(fù)雜的微功耗控制電路，電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因而不實(shí)用。

圖6 待機(jī)取電回路2Fig. 6 Standby power-taking circuit 2

2.1 單火線供電直接取電回路設(shè)計(jì)

依據(jù)上述分析，設(shè)計(jì)單火線供電的直接取電回路，如圖7 所示。

圖7 單火線供電直接取電回路Fig. 7 Direct power-taking circuit for single-fire-wire power supply

圖7 所示的單火線供電直接取電回路主要包括待機(jī)供電單元和工作供電單元， 還包括控制單元、穩(wěn)壓濾波單元以及驅(qū)動(dòng)元件。 圖中通過(guò)AC/DC變換電路從火線L1和L2上得到直流電， 在該電路圖中，瞬態(tài)電流控制電路起著關(guān)鍵作用[16]。 在單火線智能開(kāi)關(guān)處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)，控制單元的控制端口首先發(fā)出控制信號(hào)， 然后被瞬態(tài)電流控制電路接收，根據(jù)接收到的信號(hào)作出相應(yīng)的處理。 若控制單元發(fā)出的是開(kāi)啟信號(hào)，那么瞬態(tài)電流控制電路將提供較大的電流給控制單元和驅(qū)動(dòng)元件，由控制單元控制驅(qū)動(dòng)元件，使開(kāi)關(guān)繼電器閉合；若控制單元發(fā)出的是關(guān)斷信號(hào)，那么瞬態(tài)電流控制電路將短暫進(jìn)入大電流工作狀態(tài)，補(bǔ)充關(guān)閉瞬間驅(qū)動(dòng)元件和控制單元消耗的較大功率。 此后，瞬態(tài)電流控制電路將通過(guò)很小的電流，單火線供電智能開(kāi)關(guān)進(jìn)入待機(jī)微功耗狀態(tài)。

圖7 中，場(chǎng)效應(yīng)管FET1 的漏極接電阻R1和二極管D1的負(fù)極， 其源極接電阻R3和R4的公共端，柵極接電阻R2。 FET2 的漏極接R1和R2的公共端，其源極接公共地， 柵極接電容C1和電阻R4的公共端。當(dāng)智能開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，導(dǎo)線兩端加220 V 交流電壓的瞬間，場(chǎng)效應(yīng)管FET2 截止，F(xiàn)ET1 通過(guò)電阻R1和R2獲得較高的柵極電壓，處于導(dǎo)通狀態(tài)，使輸出電流增加，該大電流流過(guò)FET1 的源極，并經(jīng)過(guò)分壓限流電阻R4送到穩(wěn)壓濾波單元，經(jīng)穩(wěn)壓濾波使系統(tǒng)獲得工作電壓VCC。 當(dāng)電壓升高時(shí)，F(xiàn)ET2 的柵極經(jīng)R4獲得電壓而導(dǎo)通，F(xiàn)ET1 的柵極電壓隨之降低， 處于低導(dǎo)通狀態(tài)，瞬態(tài)電流控制電路流過(guò)很小的電流，供控制單元進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)使用。 只要控制單元的靜態(tài)功耗足夠低， 系統(tǒng)就能通過(guò)場(chǎng)效應(yīng)管FET1 將工作電壓穩(wěn)定在額定值。當(dāng)智能開(kāi)關(guān)開(kāi)啟時(shí)，控制單元的控制端口先輸出一個(gè)低電平給瞬態(tài)電流控制電路的電流輸入端口， 輸入到FET2 的柵極，F(xiàn)ET2 截止，F(xiàn)ET1 由R1和R2獲得較高的柵極電壓而充分導(dǎo)通，從而瞬態(tài)電流控制電路便給驅(qū)動(dòng)元件和控制單元提供較大的工作電流，再由控制單元控制驅(qū)動(dòng)元件，使開(kāi)關(guān)閉合。此時(shí)，關(guān)態(tài)供電電路失去電壓，不再工作，控制單元的控制端口經(jīng)電阻R4獲得高電平，也可以由控制單元將其轉(zhuǎn)換為低電平， 為開(kāi)關(guān)關(guān)閉瞬間提供大電流供電提前做好準(zhǔn)備。

該取電回路技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)勢(shì)：待機(jī)供電單元與工作供電單元既具有各自的獨(dú)立性，又互為補(bǔ)充；只要保證控制單元很低的靜態(tài)功耗，就能最大程度地限低靜態(tài)電流，以保證正常待機(jī)，使開(kāi)關(guān)準(zhǔn)確開(kāi)啟，同時(shí)又能解決負(fù)載燈具閃爍的問(wèn)題； 瞬態(tài)電流控制電路通過(guò)場(chǎng)效應(yīng)管與電阻、電容等其他電子元器件的配合，很好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)瞬態(tài)電流的控制。

2.2 電源模塊輔助取電回路

設(shè)計(jì)電源模塊輔助取電的取電回路如圖8 所示。該取電回路與圖7 的單火線供電直接取電回路相比，借助了電源模塊DY10A，該電源模塊有3 個(gè)端口，即輸入端、輸出端和接地端。電源模塊的輸出端外接低功耗的3.3 V 穩(wěn)壓芯片HT7133， 它是采用COMS 技術(shù)的三端口低功耗高電壓調(diào)整器。 電流經(jīng)過(guò)整流橋?qū)崿F(xiàn)整流， 然后分別流向二極管和晶閘管，流過(guò)二極管的電流經(jīng)過(guò)大電阻實(shí)現(xiàn)降壓，然后通過(guò)電源模塊輸入端流入電源模塊，通過(guò)電源模塊輸出端流入低功耗低壓穩(wěn)壓芯片HT7133。這樣，原來(lái)的交流電就變成了低壓直流，用于提供給不連續(xù)觸發(fā)控制電路， 控制電路便通過(guò)控制晶閘管SCR來(lái)控制雙向可控硅晶閘管， 實(shí)現(xiàn)對(duì)電路通斷的控制。 該取電回路要求控制電路的電流較小，且具備不可重復(fù)觸發(fā)的功能， 以便在完成一次觸發(fā)后，讓電容重新充電。

圖8 電源模塊輔助取電回路Fig. 8 Auxiliary power-taking circuit of power supply module

3 兩種取電回路的對(duì)比分析

對(duì)于單火線取電回路的設(shè)計(jì)提出了兩種方案。第1 種方案通過(guò)單火線直接供電方式取電，由待機(jī)供電單元和工作供電單元等多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的單元構(gòu)成了該方案的取電回路，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)；第2 種方案為電源模塊輔助取電回路設(shè)計(jì)方案，使用電源模塊DY10A， 增加了電路設(shè)計(jì)及制造的復(fù)雜性，尤其是接入了低功耗低壓穩(wěn)壓芯片，不僅使電路更加復(fù)雜，還會(huì)較多地增加智能開(kāi)關(guān)成本，但這樣一個(gè)低功耗的芯片對(duì)于降低待機(jī)功耗有著很大作用。

上述兩種取電回路的設(shè)計(jì)方案，顯然第2 種方案更實(shí)際，也更易滿足低功耗的要求，只是設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，成本略高。在Visio 軟件中繪制電源模塊輔助取電回路設(shè)計(jì)方案具體的原理圖, 如圖9 所示。其工作原理敘述如下。

當(dāng)微控制器發(fā)送關(guān)斷信號(hào)時(shí)，O2為低電平，三極管Q9截止，其集電極為高電平，這時(shí)繼電器線圈不帶電，其觸點(diǎn)斷開(kāi)。火線L2和Q9集電極之間的電壓經(jīng)二極管D5半波整流， 使電壓成為300 V 的半波波形，該半波一方面直接加在可控晶閘管MCR16的陽(yáng)極， 另一方面經(jīng)降壓電阻R30降壓后加在MCR16 的門(mén)極，使MCR16 導(dǎo)通，接著二極管D15導(dǎo)通，該電壓波形最終經(jīng)電容C5儲(chǔ)能穩(wěn)壓成為300 V左右的直流電。 與此同時(shí)，LNK362DN 芯片的漏極引腳D 輸出電流供給變壓器，變壓器工作。 變壓器工作時(shí)最終在第1 個(gè)副邊經(jīng)電容C6儲(chǔ)能穩(wěn)壓后產(chǎn)生11.7 V 的直流電，該直流電一方面經(jīng)電阻R19給LNK362DN 芯片供電， 另一方面經(jīng)二極管D4給HEF4093BT 芯片供電。 盡管HEF4093BT 芯片接受12 V 的供電電源， 但由于其輸入信號(hào)I3和I4為低電平，其最終輸出信號(hào)O1為低電平，所以此時(shí)三極管Q5和Q6不工作， 則MOS 管柵源極電壓為0 V，MOS 管不工作。 變壓器的第2 個(gè)副邊經(jīng)儲(chǔ)能電容C12產(chǎn)生3 V 的直流電，該直流電經(jīng)電感L2濾波，又經(jīng)電容C22儲(chǔ)能穩(wěn)壓后給主芯片的控制器及其他芯片供電。 另外，火線L2電壓經(jīng)二極管D2整流，又經(jīng)大電阻R21降壓，最終產(chǎn)生幅值為4 V 的脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)經(jīng)I2送入控制器，此時(shí)控制器與無(wú)線傳輸模塊進(jìn)行通信，無(wú)線傳輸模塊的天線發(fā)送射頻信號(hào)，現(xiàn)場(chǎng)接收該射頻信號(hào)便可識(shí)別繼電器處于打開(kāi)狀態(tài)。 同樣，零線電壓經(jīng)電阻R32引入控制器，正常情況下該信號(hào)是接近于0 V 的電壓信號(hào)，可看作是零線故障檢測(cè)信號(hào)。

圖9 單火線供電智能開(kāi)關(guān)電源板電路原理Fig. 9 Schematic of intelligent switch power supply board circuit for single-fire-wire power supply

當(dāng)微控制器發(fā)送開(kāi)通信號(hào)時(shí)，O2為高電平，三極管Q9導(dǎo)通，其集電極電平被拉低，這時(shí)繼電器線圈帶電，觸點(diǎn)閉合。 此時(shí)，MOS 管并未開(kāi)通，其漏源極之間并聯(lián)了一個(gè)穩(wěn)壓管，該穩(wěn)壓管提供的電壓使二極管D13導(dǎo)通，繼而給HEF4093BT 芯片供電。 另一方面，漏源電壓經(jīng)二極管D12整流，再經(jīng)電容C19的儲(chǔ)能， 最終在三極管Q11的基極產(chǎn)生0.5 V 的電壓，該三極管導(dǎo)通，其集電極電平被拉低，可控晶閘管的門(mén)極失壓而停止工作。 另外，穩(wěn)壓管的電壓經(jīng)電阻R3與整流二極管MDD11，最終使二極管D1反向?qū)ǎ?使HEF4093BT 芯片的輸入I3和I4呈現(xiàn)高電平，這時(shí)該芯片最終由O1輸出脈沖信號(hào)，使三極管Q5和Q6互補(bǔ)導(dǎo)通， 從而經(jīng)電阻R2產(chǎn)生脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)加到MOS 管的柵源極，使該管的漏源電壓為幅值56 V 的脈沖信號(hào)， 該脈沖信號(hào)經(jīng)整流二極管D13，經(jīng)過(guò)電容C3的儲(chǔ)能穩(wěn)壓使電壓變?yōu)榉€(wěn)定的直流電，從而持續(xù)為HEF4093BT 芯片供電。另外，MOS 管的漏源電壓持續(xù)使二極管D1導(dǎo)通，從而源源不斷地為MOS 管提供柵源電壓，使MOS 管工作在開(kāi)通和關(guān)斷狀態(tài)。 MOS 管在開(kāi)通和關(guān)斷的過(guò)程中， 一方面使電容C3經(jīng)儲(chǔ)能產(chǎn)生穩(wěn)定的直流電壓， 另一方面經(jīng)二極管D17最終經(jīng)電容C5儲(chǔ)能，在變壓器原邊側(cè)產(chǎn)生穩(wěn)定電壓。LNK362DN 芯片的漏極引腳D 輸出電流，這時(shí)變壓器原邊工作，該變壓器工作時(shí)在兩個(gè)副邊產(chǎn)生電壓的機(jī)理和繼電器斷開(kāi)時(shí)相同。另外，LS為過(guò)流保護(hù)信號(hào)，當(dāng)電路工作正常時(shí)，LS恒為低電平，此時(shí)三極管Q7截止，保證HEF4093BT 芯片的輸入I2為高電平（10.7 V），從而使MOS 管的柵源極接收脈沖信號(hào)而工作； 當(dāng)電路過(guò)流后，LS為高電平，此時(shí)三極管Q7導(dǎo)通，其集電極電壓被強(qiáng)制拉成低電平，HEF4093BT 芯片的輸入I2為低電平，使該芯片的O1持續(xù)輸出高電平，三極管Q5持續(xù)導(dǎo)通， 從而MOS 管柵源電壓為高電平，MOS 管被封鎖而停止工作，繼電器跳閘。

4 實(shí)驗(yàn)分析

利用Protel 軟件對(duì)所提基于電源模塊輔助取電回路的單火線智能開(kāi)關(guān)電源板進(jìn)行PCB 版圖設(shè)計(jì)，并焊接相應(yīng)的元器件，所設(shè)計(jì)的單火線供電智能開(kāi)關(guān)電源板實(shí)物如圖10 所示。

圖10 單火線供電智能開(kāi)關(guān)電源板Fig. 10 Intelligent switch power supply board for single-fire-wire power supply

依據(jù)圖10 所示的電源板， 結(jié)合圖9 所示的單火線供電智能開(kāi)關(guān)電源板電路原理，搭建單火線供電智能開(kāi)關(guān)取電回路的實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)。 接通電源后，首先驗(yàn)證了單火線智能開(kāi)關(guān)通斷狀態(tài)下的正確性和控制有效性，其次分別測(cè)試各個(gè)電路結(jié)點(diǎn)上的電壓電流波形。 MOS 管的d 極測(cè)量波形如圖11 所示，MOS 管的e 極測(cè)量波形如圖12 所示，SCR16 陽(yáng)極測(cè)量波形如圖13 所示，D12的陰極測(cè)量波形如圖14 所示。 實(shí)驗(yàn)測(cè)量波形與理論分析結(jié)果一致，充分說(shuō)明了所設(shè)計(jì)單火線供電智能開(kāi)關(guān)取電回路的正確性。

圖11 MOS 管的d 極測(cè)量波形Fig. 11 d-pole measurement waveform of MOS transistor

圖12 MOS 管的e 極測(cè)量波形Fig. 12 e-pole measurement waveform of MOS transistor

圖13 SCR16 陽(yáng)極測(cè)量波形Fig. 13 SCR16 anode measurement waveform

圖14 D12 的陰極測(cè)量波形Fig. 14 D12 cathode measurement waveform

5 結(jié)語(yǔ)

本文以設(shè)計(jì)單火線供電的智能開(kāi)關(guān)為目的，設(shè)計(jì)的核心圍繞著單火線取電技術(shù)。針對(duì)單火線供電智能開(kāi)關(guān)的取電問(wèn)題，對(duì)整個(gè)取電回路進(jìn)行單元化處理，提出了單火線直接供電方式取電方案和電源模塊輔助取電回路的設(shè)計(jì)方案。通過(guò)二者的對(duì)比研究， 認(rèn)為電源模塊輔助取電回路的設(shè)計(jì)方案較好，并針對(duì)該方案搭建實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了電源模塊輔助取電回路設(shè)計(jì)方案的正確性和有效性。