单火线设计系列文章3：开态取电电路

原创硬件大熊 2021-10-03 09:02

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本篇阐述单火开关开态取电电路的基本构成、工作原理，在进入文章之前，推荐阅读——

《单火线设计系列文章1：场景由来、技术问题》

《单火线设计系列文章2：闭态取电电路》

开态取电电路

开态的定义：灯具处于”打开”的状态，即开灯

开态取电电路：用于在开灯状态下，通过该回路摄取一部分电流给后端系统提供稳定的工作电压

开关电路：用于控制灯具通断的电子开关器件，达到控制通断的目的

开关器件方案：可控硅、单稳态继电器、磁保持继电器、MOS管

当灯具处于”开态”时，市电电压基本落在灯具两端，开态取电电路与开关电路串联在灯具回路中，开关电路处于吸合状态，火线和灯线之间的电压差接近于零，此时闭态取电回路失效，故通过开态取电电路在灯具串联回路中设计了一条取电回路。

开态取电电路可以理解为在灯具处于”开态”的每一个交流电周期T中，需要摄取一部分时间t0用来给智能开关系统供电，剩余的T-t0时间给灯具供电，这种取电方式称为”分时取电”。在t0时刻，Q1处于断开状态，后端系统进行取电，将开态取电电路和开关电路串联在回路中；在T-t0时刻，Q1处于导通状态，能量全部提供给灯具进行正常工作，后端系统通过储能器件维持供电，此时开态取电电路被”开路”，其电路简化模型如下图。

开态取电电路常用电路方案参考

1) 可控硅取电方案

2) MOS管取电方案

MOS管取电方案可分为半波整流取电、全波整流取电；其框架下的常用的控制电路方案有如下几种：

a). 开态取电专用电源控制IC，例如晶丰明源的BP8009；

b). 稳压二极管进行稳压取电，通过该电压和基准电压构成比较电路进行输出电压实时监测反馈，对MOS管进行动态斩波取电；

c). 稳压二极管进行稳压取电，通过时基芯片(例如NE555)产生一个固定频率、占空比的定时PWM，对MOS管进行固定占比斩波取电。

下面以磁保持继电器作为开关电路、MOS管半波整流取电、通过比较器进行斩波控制的取电电路方案为案例，其应用参考电路如下：

当无线通信SOC系统收到”开灯”信号，无线通信SOC系统输出激励信号给到K1_ON，将磁保持继电器K1设为吸合状态，此时开态取电电路开始工作。

取电工作路径：零线->灯泡->K1->D1->C1充电(D3、R1、C3组成稳压电路)，输出Vout1->PGND->保险丝F1->火线

若K1在市电负半周零点电压相位开始闭合，市电电压从零线经过灯泡、K1后，通过二极管D1进行半波整流给到电容C1充电，Vout1电压开始上升，由D3、R1、C3组成稳压电路，将输出电压Vout1稳定在预设电压范围，经二极管D2隔离后得到Vout2电压给到后端系统供电；C1、C3为储能器件，当取电电路被”旁路”后，通过该器件给后端系统续能。

灯具开态工作路径：零线->灯泡->K1->Q2导通->保险丝F1->火线

当输出电压Vout1达到预设值后，比较器U1的1脚电压高于基准电压3脚，此时比较器U1输出脚Pin4 从低电平翻转为高电平，将MOS管Q2导通，灯具变”亮”开始正常工作。后端系统在该过程中通过储能器件C1、C3进行续能，C1、C3上的能量被消耗，故Vout1电压下降；在比较器输出高电平期间， Q3也会被打开，基准电压3脚从Vref1电压下降为Vref2电压；当U1的1脚电压下降到低于基准电压Vref2，比较器U1输出翻转为低电平，进行下一轮的取电。