单火线供电智能开关取电回路的设计与研究

惠亮亮，王开铭，陈华泰，王江彬

（1.陕西铁路工程职业技术学院，渭南714000；2.国网白银供电公司，白银730900；3.西安交通大学电气工程学院，西安710049）

智能开关因其独特的优势成为传统机械式墙 壁开关的更新换代产品，它为智能家居的实现提供了一个良好的思路，也为远程智能控制提供了可行性，使家居灯光控制和电器开关控制变得更加智能化和人性化[1-4]。 同时，国内外普通家庭大多为单火线布线，由于金属导线越来越昂贵，多走一根线的成本远高于开关本身实施单火线增加的成本，所以近年来生产智能开关的厂家及相关科研人员都在单线制这一技术领域投入了大量的人力和物力进行研究。 随着电力电子技术的发展，墙壁开关单火线接入的供电技术有了重大突破，使得具有不同功能的单火线供电智能开关变得切实可行，因而关于单火线供电的智能开关成为研究热点[5-8]。但是由于自身工作原理及负载特性的限制，目前制约这种开关大量普及的因素比较多，一个关键的问题是没能很好地解决其在待机状态时的取电问题[9-13]。

通过分析国内外智能开关领域的研究现状，描述并分析了单火线取电技术的基本工作原理，详细阐述了单火线供电的设计难点，对所提的两种单火线供电取电回路方案进行了分析和论证。通过搭建实际的实验测试平台，验证了所设计电源模块辅助取电回路设计方案的正确性和有效性。

1 单火线供电的工作原理

单火线供电电源是智能开关中最重要的组成部分，其核心就是单火线取电技术。 对于取电回路的设计，事实上就是在一个能够代替机械开关的回路中，设计出一个取电回路，该回路由单火线电路来供电，通过这个取电回路能够得到电子开关所需要的电源[14]。 单火线取电原理框图如图1 所示。

图1 单火线取电原理框图Fig. 1 Block diagram of single-fire-wire power-taking

图1 中，智能开关串接在火线上控制负载灯泡的通断，即单火线智能开关控制模块S 控制火线L1和L2的通断，负载的另一端接于零线上，在该回路中，智能开关取代了机械式墙壁开关。 该回路由两部分组成，一部分是控制模块，即电子开关，包括信号的接收器件和继电器等；另一部分是待机取电电路，通过该电路为模块提供正常工作所需的电源。

单火线智能开关的内部结构主要分为电源板和控制板两大部分。 以单键的单火线智能开关为例，其待机状态下的单火线开关电源板等效电路如图2 所示。

图2 待机时单火线开关电源板等效电路Fig. 2 Equivalent circuit of single-fire-wire switch power supply board in standby mode

单火线取电的智能开关电源板，在待机时通过2 根火线L1和L2之间的电压差来取电， 以满足智能开关面板待机状态下的正常工作。

当单火线智能开关由待机状态转入工作状态时，2 根火线之间的压差接近于0，市电电压基本降落在负载上，此时单火线智能开关的待机取电回路失效。 电源板利用MOS 管作为电路正常工作时取电回路的重要器件设计了一条工作取电回路，如图3 所示。

图3 工作取电回路Fig. 3 Power-taking circuit under operation

当负载阻抗非常大时，单火线智能开关待机状态下，2 根火线L1和L2之间的电压差在待机取电回路中产生的电流不足以使电路正常工作，由于一般的单火线智能开关都预留有零线接口，这时若接入零线搭接零线取电回路可以有效解决上述问题。零线取电回路对负载没有最小功率限制，其原因是零线取电回路由火、 零线之间的固定压差取电，不受负载阻抗的影响，但是这种双线制的接法应用范围会受到限制，一般情况下不予采用。 单火线智能开关的待机零线取电回路如图4 所示。

由于控制模块处于随时接受指令的状态，因而必须保证单火线智能开关一直处于待机状态，即待机取电回路正常工作。 当发出接通的指令后，控制模块控制继电器由断开转为闭合， 火线L1和L2正常接通，负载开始工作，此时也要保证取电电路获得合适的电流提供给电子开关；当发出断开的指令后，控制模块控制继电器由闭合转为断开，负载断开，停止工作。

图4 待机零线取电回路Fig. 4 Standby zero-line power-taking circuit

对于单火线供电智能开关，待机取电电路的供电方法一般采用阻容降压整流滤波或变压器降压整流滤波。 当开关闭合时，由于开关的控制电路需要维持正常待机工作，会消耗较小的功率，而在开关开启的瞬间，会消耗较大的功率，用继电器作为开关的驱动元件更是如此[15]。 即使控制电路及微控制器在开关闭合时的待机功耗很低，但为了保证开关的正常开启，需要较大的启动电流，大于或等于开关的最大工作电流。

2 取电回路设计

对于单火线取电回路的设计，主要是设计出待机时的取电回路，即从交流电得到低压直流，最基本的思路便是整流、降压和稳压。 整流可以通过整流二极管；降压可以通过大电阻进行分压；稳压通过电感和电容进行。 基于这个基本思路，便可以得到一个简单的待机取电回路，如图5 所示。

图5 待机取电回路1Fig. 5 Standby power-taking circuit 1

该待机取电回路是一种最简单的取电回路，虽然它可以满足基本的要求， 但分析表明其待机功耗还达不到要求。 事实上整流部分也可以通过二极管整流桥来实现，电路如图6 所示。图6 将图5 中待机取电回路的二极管整流设计成桥式整流电路， 但要使这个回路正常工作， 就必须在回路中加入复杂的微功耗控制电路，电路结构较为复杂，因而不实用。

图6 待机取电回路2Fig. 6 Standby power-taking circuit 2

2.1 单火线供电直接取电回路设计

依据上述分析，设计单火线供电的直接取电回路，如图7 所示。

图7 单火线供电直接取电回路Fig. 7 Direct power-taking circuit for single-fire-wire power supply

图7 所示的单火线供电直接取电回路主要包括待机供电单元和工作供电单元， 还包括控制单元、稳压滤波单元以及驱动元件。 图中通过AC/DC变换电路从火线L1和L2上得到直流电， 在该电路图中，瞬态电流控制电路起着关键作用[16]。 在单火线智能开关处于待机状态时，控制单元的控制端口首先发出控制信号， 然后被瞬态电流控制电路接收，根据接收到的信号作出相应的处理。 若控制单元发出的是开启信号，那么瞬态电流控制电路将提供较大的电流给控制单元和驱动元件，由控制单元控制驱动元件，使开关继电器闭合；若控制单元发出的是关断信号，那么瞬态电流控制电路将短暂进入大电流工作状态，补充关闭瞬间驱动元件和控制单元消耗的较大功率。 此后，瞬态电流控制电路将通过很小的电流，单火线供电智能开关进入待机微功耗状态。

图7 中，场效应管FET1 的漏极接电阻R1和二极管D1的负极， 其源极接电阻R3和R4的公共端，栅极接电阻R2。 FET2 的漏极接R1和R2的公共端，其源极接公共地， 栅极接电容C1和电阻R4的公共端。当智能开关断开时，导线两端加220 V 交流电压的瞬间，场效应管FET2 截止，FET1 通过电阻R1和R2获得较高的栅极电压，处于导通状态，使输出电流增加，该大电流流过FET1 的源极，并经过分压限流电阻R4送到稳压滤波单元，经稳压滤波使系统获得工作电压VCC。 当电压升高时，FET2 的栅极经R4获得电压而导通，FET1 的栅极电压随之降低， 处于低导通状态，瞬态电流控制电路流过很小的电流，供控制单元进入待机状态使用。 只要控制单元的静态功耗足够低， 系统就能通过场效应管FET1 将工作电压稳定在额定值。当智能开关开启时，控制单元的控制端口先输出一个低电平给瞬态电流控制电路的电流输入端口， 输入到FET2 的栅极，FET2 截止，FET1 由R1和R2获得较高的栅极电压而充分导通，从而瞬态电流控制电路便给驱动元件和控制单元提供较大的工作电流，再由控制单元控制驱动元件，使开关闭合。此时，关态供电电路失去电压，不再工作，控制单元的控制端口经电阻R4获得高电平，也可以由控制单元将其转换为低电平， 为开关关闭瞬间提供大电流供电提前做好准备。

该取电回路技术与现有技术相比具有以下优势：待机供电单元与工作供电单元既具有各自的独立性，又互为补充；只要保证控制单元很低的静态功耗，就能最大程度地限低静态电流，以保证正常待机，使开关准确开启，同时又能解决负载灯具闪烁的问题； 瞬态电流控制电路通过场效应管与电阻、电容等其他电子元器件的配合，很好地实现了对瞬态电流的控制。

2.2 电源模块辅助取电回路

设计电源模块辅助取电的取电回路如图8 所示。该取电回路与图7 的单火线供电直接取电回路相比，借助了电源模块DY10A，该电源模块有3 个端口，即输入端、输出端和接地端。电源模块的输出端外接低功耗的3.3 V 稳压芯片HT7133， 它是采用COMS 技术的三端口低功耗高电压调整器。 电流经过整流桥实现整流， 然后分别流向二极管和晶闸管，流过二极管的电流经过大电阻实现降压，然后通过电源模块输入端流入电源模块，通过电源模块输出端流入低功耗低压稳压芯片HT7133。这样，原来的交流电就变成了低压直流，用于提供给不连续触发控制电路， 控制电路便通过控制晶闸管SCR来控制双向可控硅晶闸管， 实现对电路通断的控制。 该取电回路要求控制电路的电流较小，且具备不可重复触发的功能， 以便在完成一次触发后，让电容重新充电。

图8 电源模块辅助取电回路Fig. 8 Auxiliary power-taking circuit of power supply module

3 两种取电回路的对比分析

对于单火线取电回路的设计提出了两种方案。第1 种方案通过单火线直接供电方式取电，由待机供电单元和工作供电单元等多个相对独立的单元构成了该方案的取电回路，设计简单、容易实现；第2 种方案为电源模块辅助取电回路设计方案，使用电源模块DY10A， 增加了电路设计及制造的复杂性，尤其是接入了低功耗低压稳压芯片，不仅使电路更加复杂，还会较多地增加智能开关成本，但这样一个低功耗的芯片对于降低待机功耗有着很大作用。

上述两种取电回路的设计方案，显然第2 种方案更实际，也更易满足低功耗的要求，只是设计较为复杂，成本略高。在Visio 软件中绘制电源模块辅助取电回路设计方案具体的原理图, 如图9 所示。其工作原理叙述如下。

当微控制器发送关断信号时，O2为低电平，三极管Q9截止，其集电极为高电平，这时继电器线圈不带电，其触点断开。火线L2和Q9集电极之间的电压经二极管D5半波整流， 使电压成为300 V 的半波波形，该半波一方面直接加在可控晶闸管MCR16的阳极， 另一方面经降压电阻R30降压后加在MCR16 的门极，使MCR16 导通，接着二极管D15导通，该电压波形最终经电容C5储能稳压成为300 V左右的直流电。 与此同时，LNK362DN 芯片的漏极引脚D 输出电流供给变压器，变压器工作。 变压器工作时最终在第1 个副边经电容C6储能稳压后产生11.7 V 的直流电，该直流电一方面经电阻R19给LNK362DN 芯片供电， 另一方面经二极管D4给HEF4093BT 芯片供电。 尽管HEF4093BT 芯片接受12 V 的供电电源， 但由于其输入信号I3和I4为低电平，其最终输出信号O1为低电平，所以此时三极管Q5和Q6不工作， 则MOS 管栅源极电压为0 V，MOS 管不工作。 变压器的第2 个副边经储能电容C12产生3 V 的直流电，该直流电经电感L2滤波，又经电容C22储能稳压后给主芯片的控制器及其他芯片供电。 另外，火线L2电压经二极管D2整流，又经大电阻R21降压，最终产生幅值为4 V 的脉冲信号，该脉冲信号经I2送入控制器，此时控制器与无线传输模块进行通信，无线传输模块的天线发送射频信号，现场接收该射频信号便可识别继电器处于打开状态。 同样，零线电压经电阻R32引入控制器，正常情况下该信号是接近于0 V 的电压信号，可看作是零线故障检测信号。

图9 单火线供电智能开关电源板电路原理Fig. 9 Schematic of intelligent switch power supply board circuit for single-fire-wire power supply

当微控制器发送开通信号时，O2为高电平，三极管Q9导通，其集电极电平被拉低，这时继电器线圈带电，触点闭合。 此时，MOS 管并未开通，其漏源极之间并联了一个稳压管，该稳压管提供的电压使二极管D13导通，继而给HEF4093BT 芯片供电。 另一方面，漏源电压经二极管D12整流，再经电容C19的储能， 最终在三极管Q11的基极产生0.5 V 的电压，该三极管导通，其集电极电平被拉低，可控晶闸管的门极失压而停止工作。 另外，稳压管的电压经电阻R3与整流二极管MDD11，最终使二极管D1反向导通， 使HEF4093BT 芯片的输入I3和I4呈现高电平，这时该芯片最终由O1输出脉冲信号，使三极管Q5和Q6互补导通， 从而经电阻R2产生脉冲信号，该脉冲信号加到MOS 管的栅源极，使该管的漏源电压为幅值56 V 的脉冲信号， 该脉冲信号经整流二极管D13，经过电容C3的储能稳压使电压变为稳定的直流电，从而持续为HEF4093BT 芯片供电。另外，MOS 管的漏源电压持续使二极管D1导通，从而源源不断地为MOS 管提供栅源电压，使MOS 管工作在开通和关断状态。 MOS 管在开通和关断的过程中， 一方面使电容C3经储能产生稳定的直流电压， 另一方面经二极管D17最终经电容C5储能，在变压器原边侧产生稳定电压。LNK362DN 芯片的漏极引脚D 输出电流，这时变压器原边工作，该变压器工作时在两个副边产生电压的机理和继电器断开时相同。另外，LS为过流保护信号，当电路工作正常时，LS恒为低电平，此时三极管Q7截止，保证HEF4093BT 芯片的输入I2为高电平（10.7 V），从而使MOS 管的栅源极接收脉冲信号而工作； 当电路过流后，LS为高电平，此时三极管Q7导通，其集电极电压被强制拉成低电平，HEF4093BT 芯片的输入I2为低电平，使该芯片的O1持续输出高电平，三极管Q5持续导通， 从而MOS 管栅源电压为高电平，MOS 管被封锁而停止工作，继电器跳闸。

4 实验分析

利用Protel 软件对所提基于电源模块辅助取电回路的单火线智能开关电源板进行PCB 版图设计，并焊接相应的元器件，所设计的单火线供电智能开关电源板实物如图10 所示。

图10 单火线供电智能开关电源板Fig. 10 Intelligent switch power supply board for single-fire-wire power supply

依据图10 所示的电源板， 结合图9 所示的单火线供电智能开关电源板电路原理，搭建单火线供电智能开关取电回路的实验测试平台。 接通电源后，首先验证了单火线智能开关通断状态下的正确性和控制有效性，其次分别测试各个电路结点上的电压电流波形。 MOS 管的d 极测量波形如图11 所示，MOS 管的e 极测量波形如图12 所示，SCR16 阳极测量波形如图13 所示，D12的阴极测量波形如图14 所示。 实验测量波形与理论分析结果一致，充分说明了所设计单火线供电智能开关取电回路的正确性。

图11 MOS 管的d 极测量波形Fig. 11 d-pole measurement waveform of MOS transistor

图12 MOS 管的e 极测量波形Fig. 12 e-pole measurement waveform of MOS transistor

图13 SCR16 阳极测量波形Fig. 13 SCR16 anode measurement waveform

图14 D12 的阴极测量波形Fig. 14 D12 cathode measurement waveform

5 结语

本文以设计单火线供电的智能开关为目的，设计的核心围绕着单火线取电技术。针对单火线供电智能开关的取电问题，对整个取电回路进行单元化处理，提出了单火线直接供电方式取电方案和电源模块辅助取电回路的设计方案。通过二者的对比研究， 认为电源模块辅助取电回路的设计方案较好，并针对该方案搭建实验测试平台进行验证，实验结果证明了电源模块辅助取电回路设计方案的正确性和有效性。