單火線供電智能開關(guān)取電回路的設(shè)計與研究

惠亮亮，王開銘，陳華泰，王江彬

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

智能開關(guān)因其獨特的優(yōu)勢成為傳統(tǒng)機械式墻 壁開關(guān)的更新?lián)Q代產(chǎn)品，它為智能家居的實現(xiàn)提供了一個良好的思路，也為遠程智能控制提供了可行性，使家居燈光控制和電器開關(guān)控制變得更加智能化和人性化[1-4]。 同時，國內(nèi)外普通家庭大多為單火線布線，由于金屬導線越來越昂貴，多走一根線的成本遠高于開關(guān)本身實施單火線增加的成本，所以近年來生產(chǎn)智能開關(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行研究。 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，墻壁開關(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關(guān)變得切實可行，因而關(guān)于單火線供電的智能開關(guān)成為研究熱點[5-8]。但是由于自身工作原理及負載特性的限制，目前制約這種開關(guān)大量普及的因素比較多，一個關(guān)鍵的問題是沒能很好地解決其在待機狀態(tài)時的取電問題[9-13]。

通過分析國內(nèi)外智能開關(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，詳細闡述了單火線供電的設(shè)計難點，對所提的兩種單火線供電取電回路方案進行了分析和論證。通過搭建實際的實驗測試平臺，驗證了所設(shè)計電源模塊輔助取電回路設(shè)計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)。 對于取電回路的設(shè)計，事實上就是在一個能夠代替機械開關(guān)的回路中，設(shè)計出一個取電回路，該回路由單火線電路來供電，通過這個取電回路能夠得到電子開關(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，智能開關(guān)串接在火線上控制負載燈泡的通斷，即單火線智能開關(guān)控制模塊S 控制火線L1和L2的通斷，負載的另一端接于零線上，在該回路中，智能開關(guān)取代了機械式墻壁開關(guān)。 該回路由兩部分組成，一部分是控制模塊，即電子開關(guān)，包括信號的接收器件和繼電器等；另一部分是待機取電電路，通過該電路為模塊提供正常工作所需的電源。

單火線智能開關(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關(guān)為例，其待機狀態(tài)下的單火線開關(guān)電源板等效電路如圖2 所示。

圖2 待機時單火線開關(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關(guān)電源板，在待機時通過2 根火線L1和L2之間的電壓差來取電， 以滿足智能開關(guān)面板待機狀態(tài)下的正常工作。

當單火線智能開關(guān)由待機狀態(tài)轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)時，2 根火線之間的壓差接近于0，市電電壓基本降落在負載上，此時單火線智能開關(guān)的待機取電回路失效。 電源板利用MOS 管作為電路正常工作時取電回路的重要器件設(shè)計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

當負載阻抗非常大時，單火線智能開關(guān)待機狀態(tài)下，2 根火線L1和L2之間的電壓差在待機取電回路中產(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關(guān)都預留有零線接口，這時若接入零線搭接零線取電回路可以有效解決上述問題。零線取電回路對負載沒有最小功率限制，其原因是零線取電回路由火、 零線之間的固定壓差取電，不受負載阻抗的影響，但是這種雙線制的接法應用范圍會受到限制，一般情況下不予采用。 單火線智能開關(guān)的待機零線取電回路如圖4 所示。

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

圖4 待機零線取電回路Fig. 4 Standby zero-line power-taking circuit

對于單火線供電智能開關(guān)，待機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。 當開關(guān)閉合時，由于開關(guān)的控制電路需要維持正常待機工作，會消耗較小的功率，而在開關(guān)開啟的瞬間，會消耗較大的功率，用繼電器作為開關(guān)的驅(qū)動元件更是如此[15]。 即使控制電路及微控制器在開關(guān)閉合時的待機功耗很低，但為了保證開關(guān)的正常開啟，需要較大的啟動電流，大于或等于開關(guān)的最大工作電流。

2 取電回路設(shè)計

對于單火線取電回路的設(shè)計，主要是設(shè)計出待機時的取電回路，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。 整流可以通過整流二極管；降壓可以通過大電阻進行分壓；穩(wěn)壓通過電感和電容進行。 基于這個基本思路，便可以得到一個簡單的待機取電回路，如圖5 所示。

圖5 待機取電回路1Fig. 5 Standby power-taking circuit 1

該待機取電回路是一種最簡單的取電回路，雖然它可以滿足基本的要求， 但分析表明其待機功耗還達不到要求。 事實上整流部分也可以通過二極管整流橋來實現(xiàn)，電路如圖6 所示。圖6 將圖5 中待機取電回路的二極管整流設(shè)計成橋式整流電路， 但要使這個回路正常工作， 就必須在回路中加入復雜的微功耗控制電路，電路結(jié)構(gòu)較為復雜，因而不實用。

圖6 待機取電回路2Fig. 6 Standby power-taking circuit 2

2.1 單火線供電直接取電回路設(shè)計

依據(jù)上述分析，設(shè)計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)動元件。 圖中通過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]。 在單火線智能開關(guān)處于待機狀態(tài)時，控制單元的控制端口首先發(fā)出控制信號， 然后被瞬態(tài)電流控制電路接收，根據(jù)接收到的信號作出相應的處理。 若控制單元發(fā)出的是開啟信號，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)動元件，由控制單元控制驅(qū)動元件，使開關(guān)繼電器閉合；若控制單元發(fā)出的是關(guān)斷信號，那么瞬態(tài)電流控制電路將短暫進入大電流工作狀態(tài)，補充關(guān)閉瞬間驅(qū)動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很小的電流，單火線供電智能開關(guān)進入待機微功耗狀態(tài)。

圖7 中，場效應管FET1 的漏極接電阻R1和二極管D1的負極， 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。當智能開關(guān)斷開時，導線兩端加220 V 交流電壓的瞬間，場效應管FET2 截止，F(xiàn)ET1 通過電阻R1和R2獲得較高的柵極電壓，處于導通狀態(tài)，使輸出電流增加，該大電流流過FET1 的源極，并經(jīng)過分壓限流電阻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。 當電壓升高時，F(xiàn)ET2 的柵極經(jīng)R4獲得電壓而導通，F(xiàn)ET1 的柵極電壓隨之降低， 處于低導通狀態(tài)，瞬態(tài)電流控制電路流過很小的電流，供控制單元進入待機狀態(tài)使用。 只要控制單元的靜態(tài)功耗足夠低， 系統(tǒng)就能通過場效應管FET1 將工作電壓穩(wěn)定在額定值。當智能開關(guān)開啟時，控制單元的控制端口先輸出一個低電平給瞬態(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通，從而瞬態(tài)電流控制電路便給驅(qū)動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)動元件，使開關(guān)閉合。此時，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， 為開關(guān)關(guān)閉瞬間提供大電流供電提前做好準備。

該取電回路技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)勢：待機供電單元與工作供電單元既具有各自的獨立性，又互為補充；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，使開關(guān)準確開啟，同時又能解決負載燈具閃爍的問題； 瞬態(tài)電流控制電路通過場效應管與電阻、電容等其他電子元器件的配合，很好地實現(xiàn)了對瞬態(tài)電流的控制。

2.2 電源模塊輔助取電回路

設(shè)計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)過整流橋?qū)崿F(xiàn)整流， 然后分別流向二極管和晶閘管，流過二極管的電流經(jīng)過大電阻實現(xiàn)降壓，然后通過電源模塊輸入端流入電源模塊，通過電源模塊輸出端流入低功耗低壓穩(wěn)壓芯片HT7133。這樣，原來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， 控制電路便通過控制晶閘管SCR來控制雙向可控硅晶閘管， 實現(xiàn)對電路通斷的控制。 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 兩種取電回路的對比分析

對于單火線取電回路的設(shè)計提出了兩種方案。第1 種方案通過單火線直接供電方式取電，由待機供電單元和工作供電單元等多個相對獨立的單元構(gòu)成了該方案的取電回路，設(shè)計簡單、容易實現(xiàn)；第2 種方案為電源模塊輔助取電回路設(shè)計方案，使用電源模塊DY10A， 增加了電路設(shè)計及制造的復雜性，尤其是接入了低功耗低壓穩(wěn)壓芯片，不僅使電路更加復雜，還會較多地增加智能開關(guān)成本，但這樣一個低功耗的芯片對于降低待機功耗有著很大作用。

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

當微控制器發(fā)送關(guān)斷信號時，O2為低電平，三極管Q9截止，其集電極為高電平，這時繼電器線圈不帶電，其觸點斷開?；鹁€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的陽極， 另一方面經(jīng)降壓電阻R30降壓后加在MCR16 的門極，使MCR16 導通，接著二極管D15導通，該電壓波形最終經(jīng)電容C5儲能穩(wěn)壓成為300 V左右的直流電。 與此同時，LNK362DN 芯片的漏極引腳D 輸出電流供給變壓器，變壓器工作。 變壓器工作時最終在第1 個副邊經(jīng)電容C6儲能穩(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I3和I4為低電平，其最終輸出信號O1為低電平，所以此時三極管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 個副邊經(jīng)儲能電容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，該脈沖信號經(jīng)I2送入控制器，此時控制器與無線傳輸模塊進行通信，無線傳輸模塊的天線發(fā)送射頻信號，現(xiàn)場接收該射頻信號便可識別繼電器處于打開狀態(tài)。 同樣，零線電壓經(jīng)電阻R32引入控制器，正常情況下該信號是接近于0 V 的電壓信號，可看作是零線故障檢測信號。

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

當微控制器發(fā)送開通信號時，O2為高電平，三極管Q9導通，其集電極電平被拉低，這時繼電器線圈帶電，觸點閉合。 此時，MOS 管并未開通，其漏源極之間并聯(lián)了一個穩(wěn)壓管，該穩(wěn)壓管提供的電壓使二極管D13導通，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，該三極管導通，其集電極電平被拉低，可控晶閘管的門極失壓而停止工作。 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，這時該芯片最終由O1輸出脈沖信號，使三極管Q5和Q6互補導通， 從而經(jīng)電阻R2產(chǎn)生脈沖信號，該脈沖信號加到MOS 管的柵源極，使該管的漏源電壓為幅值56 V 的脈沖信號， 該脈沖信號經(jīng)整流二極管D13，經(jīng)過電容C3的儲能穩(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導通，從而源源不斷地為MOS 管提供柵源電壓，使MOS 管工作在開通和關(guān)斷狀態(tài)。 MOS 管在開通和關(guān)斷的過程中， 一方面使電容C3經(jīng)儲能產(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，這時變壓器原邊工作，該變壓器工作時在兩個副邊產(chǎn)生電壓的機理和繼電器斷開時相同。另外，LS為過流保護信號，當電路工作正常時，LS恒為低電平，此時三極管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而工作； 當電路過流后，LS為高電平，此時三極管Q7導通，其集電極電壓被強制拉成低電平，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 實驗分析

利用Protel 軟件對所提基于電源模塊輔助取電回路的單火線智能開關(guān)電源板進行PCB 版圖設(shè)計，并焊接相應的元器件，所設(shè)計的單火線供電智能開關(guān)電源板實物如圖10 所示。

圖10 單火線供電智能開關(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關(guān)電源板電路原理，搭建單火線供電智能開關(guān)取電回路的實驗測試平臺。 接通電源后，首先驗證了單火線智能開關(guān)通斷狀態(tài)下的正確性和控制有效性，其次分別測試各個電路結(jié)點上的電壓電流波形。 MOS 管的d 極測量波形如圖11 所示，MOS 管的e 極測量波形如圖12 所示，SCR16 陽極測量波形如圖13 所示，D12的陰極測量波形如圖14 所示。 實驗測量波形與理論分析結(jié)果一致，充分說明了所設(shè)計單火線供電智能開關(guān)取電回路的正確性。

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

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

圖13 SCR16 陽極測量波形Fig. 13 SCR16 anode measurement waveform

圖14 D12 的陰極測量波形Fig. 14 D12 cathode measurement waveform

5 結(jié)語

本文以設(shè)計單火線供電的智能開關(guān)為目的，設(shè)計的核心圍繞著單火線取電技術(shù)。針對單火線供電智能開關(guān)的取電問題，對整個取電回路進行單元化處理，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)計方案。通過二者的對比研究， 認為電源模塊輔助取電回路的設(shè)計方案較好，并針對該方案搭建實驗測試平臺進行驗證，實驗結(jié)果證明了電源模塊輔助取電回路設(shè)計方案的正確性和有效性。