一種新型智能插座的設(shè)計(jì)

安晉彤

（西安郵電大學(xué)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(shè)備增多，適配器損耗現(xiàn)象就表現(xiàn)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(shè)計(jì)將原有的適配器—電器配對關(guān)系打斷，將所有連接到插座上的電器經(jīng)統(tǒng)一的變壓-整流-穩(wěn)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(shí)以低功耗單片機(jī)作為處理核心保障設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)安全，從而達(dá)到高效、智能、快速的目的。

1 系統(tǒng)綜述

本設(shè)計(jì)以低功耗單片機(jī)為核心，輔之以變壓整流網(wǎng)絡(luò)、程控電源組、場效應(yīng)管通流陣列及反饋監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)示意圖

用電器未接入時(shí)，插座默認(rèn)關(guān)閉市電的接入以保證系統(tǒng)和人員安全。當(dāng)終端設(shè)備接入時(shí)，核心MCU通過信號交換接口與終端設(shè)備進(jìn)行通信，獲取設(shè)備所需電壓、電流和最大功率等信息，然后接入市電，經(jīng)變壓、整流、穩(wěn)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(biāo)桿調(diào)節(jié)程控電源組某輸出節(jié)點(diǎn)的電壓，并智能分配連通場效應(yīng)管通流陣列，將輸出直流電壓接入正確的插頭。與此同時(shí)，反饋監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)視輸入輸出電參數(shù)，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(xié)議，經(jīng)上一級智能插座連接更高級服務(wù)器，上傳各種信息，用來向物聯(lián)網(wǎng)方向進(jìn)行擴(kuò)展。

2 信號交換接口

2.1 外形結(jié)構(gòu)

用電器與插座之間應(yīng)使用相同的接口以保證信號交換的穩(wěn)定性與準(zhǔn)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(guī)定。所設(shè)計(jì)的插座與用電器插頭結(jié)構(gòu)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(dāng)插頭插入時(shí)，公母頭恰好合體，構(gòu)成數(shù)據(jù)交換通路。

2.2 接口構(gòu)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(dāng)用戶插上用電器插頭時(shí)，電極P1會向下按壓插座底部的T1。同時(shí)T1所在的杠桿圍繞支點(diǎn)O轉(zhuǎn)動，從而推動插接頭P2彈出。此時(shí)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(wěn)定性。當(dāng)用戶拔下插頭時(shí)，T1所在杠桿在彈簧J的拉動下復(fù)位，信號交換頭P2收回。當(dāng)沒有用電器接入時(shí)，信號交換頭自動收入，從而保護(hù)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(cè)分別為公共地和5 V電壓，以供母頭內(nèi)芯片的使用。上下兩側(cè)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(xié)議

所設(shè)計(jì)通信協(xié)議格式如下：

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

一組數(shù)據(jù)共16位，頭3位為信號的優(yōu)先級（優(yōu)先級見表1），中間12位為信號本體，末1位為奇偶校驗(yàn)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(shí)，首先檢測優(yōu)先級。若有高優(yōu)先級信號傳入，則立刻放棄當(dāng)前任務(wù)，轉(zhuǎn)而去執(zhí)行所請求的任務(wù)。

表1 信號優(yōu)先級

當(dāng)插頭插下后，首先由公頭向母頭內(nèi)的識別芯片供電，插座向識別芯片發(fā)送“中優(yōu)先級”的設(shè)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(diào)整程控電源組、通流陣列和反饋監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)置，使其適應(yīng)所插入的用電器。待調(diào)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(tǒng)進(jìn)入正常監(jiān)視工作狀態(tài)。當(dāng)反饋監(jiān)視系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)有觸電、過壓等情形出現(xiàn)，或識別芯片上報(bào)用電器運(yùn)轉(zhuǎn)不正常時(shí)，插座將啟動應(yīng)急預(yù)案，即刻關(guān)閉用電器的供電，同時(shí)上報(bào)消息到高一級服務(wù)器。當(dāng)用戶通過移動終端設(shè)備查看電器的狀態(tài)時(shí)，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(wù)器、告知用戶[5]。為了確保用電器正常運(yùn)轉(zhuǎn)，需要每隔一定時(shí)間發(fā)送低優(yōu)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(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常，未出現(xiàn)死機(jī)情況。

3 變壓整流電路設(shè)計(jì)

本模塊為插座系統(tǒng)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(wěn)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(jīng)電容簡單濾波后，使用降壓芯片可以獲得較穩(wěn)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(nèi)獲得可靠、穩(wěn)定的恒壓輸出。

4 程控電源設(shè)計(jì)

一個(gè)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(guān)系。大體上，按照組合方式的不同可將電源組劃分成并聯(lián)式、串聯(lián)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(lián)式電源組

如圖5（a），此種組合方式可以承載較大的負(fù)載功率，但是由于各個(gè)分電源輸出特性之間的差異，導(dǎo)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(dāng)用電器需要較小電壓時(shí)，Buck拓?fù)渲兴枰拈_關(guān)信號占空比就很小。有些低功耗單片機(jī)為了達(dá)到節(jié)能的目的而降低了主頻[10]，此時(shí)若開關(guān)信號頻率過大，則有可能無法送入驅(qū)動管正確的占空比信號。

4.2 串聯(lián)式電源組

如圖5（b），雖然串聯(lián)組合方式可以達(dá)到均流，但是當(dāng)電流過大而燒壞某個(gè)分電源時(shí)，整個(gè)電源組就無法工作了。而且電源串聯(lián)組合會致使開關(guān)電源輸出紋波電壓的累積，引發(fā)最終輸出電壓極不穩(wěn)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(lián)法將電源分成若干組，再在各組內(nèi)串聯(lián)電源。這樣均衡了串聯(lián)式和并聯(lián)式兩種組合方式的優(yōu)勢，既可以承載較大功率又不必?fù)?dān)心某分電源損壞導(dǎo)致電源組整體都無法使用。

綜上所述，在本設(shè)計(jì)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?fù)鋄11]，電源組V1與V2串聯(lián)，再與V3、V4組合并聯(lián)。利用MCU計(jì)算和輸出特定占空比的高頻開關(guān)信號到S1～S4，F(xiàn)B1～FB4作為反饋端口將輸出口電參數(shù)返回MCU，完成閉環(huán)穩(wěn)恒電壓輸出。

5 場效應(yīng)管流通陣列

由于程控電源組的組合方式，導(dǎo)致插座實(shí)際輸出電壓與電源組的配對是隨機(jī)的。因此需要一個(gè)可編程的場效應(yīng)管通流陣列，將插座輸出口與電源輸出電壓相配對?，F(xiàn)以二階通流陣列為例進(jìn)行說明，如圖7所示。

圖7 二階場效應(yīng)管流通陣列

經(jīng)實(shí)驗(yàn)可得，通常情況下當(dāng)插座數(shù)與電源組輸出端口數(shù)都為N時(shí)，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(gè)場效應(yīng)管的漏源通路，并將每個(gè)管的柵極引出作為控制端。在MCU的控制下，智能地分配各個(gè)管子導(dǎo)通與關(guān)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(shè)計(jì)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(guān)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(guān)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(fèi)。而在動態(tài)的配對關(guān)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(shí)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(jié)構(gòu)，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(jiān)控系統(tǒng)

插座在使用過程中，由于人為和自然因素，或多或少會出現(xiàn)過流、過壓等極限狀況，此時(shí)就需要插座進(jìn)行應(yīng)急響應(yīng)，以確保用戶的生命和財(cái)產(chǎn)安全。反饋監(jiān)控系統(tǒng)在此系統(tǒng)中需要做到快速、高效。所謂快速，即是在出現(xiàn)極限情況時(shí)要快迅速進(jìn)行響應(yīng)，通知MCU采取有關(guān)應(yīng)急措施；而高效是指在未出現(xiàn)緊急情況時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)保持低功耗運(yùn)行狀態(tài)，減少能量的額外浪費(fèi)。

觸電是常見的緊急狀況，應(yīng)當(dāng)單獨(dú)配置防觸電裝置進(jìn)行快速響應(yīng)[13]。當(dāng)例行檢查無響應(yīng)或識別芯片上報(bào)用電器運(yùn)轉(zhuǎn)不正常時(shí)，應(yīng)首先通報(bào)MCU，MCU根據(jù)問題的急迫性采取相應(yīng)的措施，如降壓、限流或關(guān)閉供電等。與此同時(shí)，還應(yīng)注意如雷電之類的自然破壞因素對設(shè)備的影響，在內(nèi)部電路中設(shè)置阻感衰減網(wǎng)絡(luò)或獨(dú)立的過壓快速響應(yīng)裝置以減小瞬時(shí)高壓對系統(tǒng)的破壞沖擊[14]，在外部也應(yīng)增強(qiáng)外殼的絕緣強(qiáng)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(jié)束語

綜上，將市電經(jīng)統(tǒng)一的變壓-整流-穩(wěn)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(dú)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(shè)計(jì)中，所有模塊均以MCU為核心，在使用更加智能化的同時(shí)，增加了設(shè)備的可擴(kuò)展性。

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