单前哨设计系列文章专题（上）_电路_灯具

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掌握一盏灯具只须要将开关串联在灯具所在的回路上。
在传统的家庭中，我们利用机器式墙壁开关掌握灯具的通断，若有多个灯具，则通过并联的办法对每个灯进行单独掌握。

在实际工程装修中，由于只须要掌握单一回路便可实现对灯的掌握，为了节省线材，电工师傅一样平常只会将火线支配到墙壁开关上，即从电闸的火线拉线到机器开关，然后机器开关出线给灯（即灯线），该线通过天花板上的灯串联再到总闸的零线处。
因此，墙壁机器开关处，我们常日只能够看到火线、灯线。
这样的布线办法也可见于大厦的布线施工，节省下来的线材所换算出来的本钱压缩非常明显！

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智能开关的紧张电气部分有：AC-DC恒压输出电路、负载通断掌握电路、通讯模组射频电路。

（图片来自网络侵删）

AC-DC恒压输出电路须要零火线供电输入，但面对传统的家庭布线情形，施工上一定会碰到供电输入端只有火线、灯线，这和直接零火线输入不同，该输入端火线直接输入，但零线则须要通过灯具之后才能到达输入端。
因此，差异于零火输入，这种分外的接线办法称之为：单火线。

单火线技能难题

闭态“鬼火”

由于必须担保实时联网，智能开关的AC-DC恒压电源务必实时供电，而串联电路中，各点的电流大小同等。
当单火线中的灯处于OFF状态时（称之为：闭态），由于智能开关必须实时供电，因此线路中的电流并不为0（统的机器开关物理断开时电路电流为0）。

这衍生出一个技能抵牾点：流过线路的电流须要能为AC-DC供应转化能量以支撑通讯模块的正常事情，但该电流又可能会导致灯具“微微亮起”（称之为：鬼火）。

对付钨丝灯，这种负载为阻性，由于市情上的钨丝灯功率都在15W以上，而且钨丝灯将电能转化为热能，在单火场景中相称于回路中串联一个电阻，让该电阻发热且转化为热能所须要的电流比较大，因此钨丝灯在单火线中不太随意马虎产生非常点亮的问题。

对付LED灯，这种负载为容性，眇小的电流可以在LED电源中的输入输出端电容积攒，能量积攒可以让LED灯具处于微微发光的状态，也可能在某个积攒点让LED发光但在发光的一瞬间又将能量花费掉，花费掉之后又开始了新的积攒并周而复始，在这种情形下我们会看到灯具闪烁的征象。

开态宕机

当灯具处于ON状态时（称之为：开态），电路中流过的电流≤LED灯具电流。
例如将3W的LED灯串联在电路中，最大的电流≤13mA。
因此电路中设计的开态取电电路空想状态是在担保该电流值的情形下建立模块所须要的电压、电流。
当然，由于取电效率不可能达到100%，乃至可能只达到20-40%，因此所取出的电流可能不敷以支撑模块OTA升级或搜网等事情模式下的电流花费。
当电流输出不敷以支撑模块花费时会直接导致模块供电电压下跌直至无法正常事情，由此会产生智能开关“宕机”的问题。

单火线技能路径

闭态取电部分，可利用分立器件做RCC、阻容降压做恒压输出取电，这种办理办法大略，低功耗性能一样平常，量产稳定性低。
业界中PI、晶丰明源等厂家有各自的集成IC办理方案，可做到空载小于5mW。
其余，还有讯迪、金升阳等厂家推出集成模块办理方案，这种模块即所谓的：拿来即用，可极大降落开拓职员的设计难度，但由于模块仅保留基本的输入输出接口给设计者，因此也无法根据详细的运用产品做相应的内部电流调度，所达到的取电效率并非最佳。

开态取电部分，有可控硅、继电器两种方案，由于可控硅发热问题，继电器的方案目前在市情上较为主流。
这两种方案的取电设计电路差异较大，若再考虑辐射、传导等EMC问题，那么对开拓职员的设计功底则更为讲求！

原文链接：https://www.dianyuan.com/eestar/article-7131.html

文章2：闭态取电电路

单火线智能开关基本电路构成

单火线智能开关与灯具串联接在零火线中，单火取电须要在灯具关态和开态两种工况下从灯具回路中摄取一部分电流用来给智能开关的取电单元、电源转换单元、掌握单元和无线通信单元事情。

单火线智能开关由构造、电子两大单元组成。
单火线智能开关的电子单元的基本电路构成包含：闭态取电电路、开态取电电路、开关电路、电源转换电路、无线通信SOC电路。

闭态取电电路

闭态的定义：灯具处于”关闭”的状态，即关灯。

闭态取电：灯具处于关态，通过该电路与灯具串联形成回路。
闭态取电电路通过火线和灯线之间的电压差，从灯具回路中摄取一部分电流用来给无线通信SOC电路供应正常事情所需的电源，其电路简化模型如下图。

闭态取电电路常用电路方案参考

1) 采取低功耗开关电源转换芯片

例如PI的LNK系列离线式开关电源（LNK3202D：超低待机功耗电源方案&整机电源待机输入电流<65μA&在230 VAC输时电源待机功耗<12 mW）、晶丰明源的超低待机功耗的恒压驱动芯片（BP2535C：隔离运用待机功耗仅1.5mW）

2) RCC电路

3) 阻容降压电路

下面以晶丰明源的超低待机功耗的恒压驱动芯片BP2535C来解释闭态取电电路的事情事理，BP2535C运用参考电路如下：

BP2535C的隔离运用电路基本架构属于反激式（Flyback）转换器，设计要点如下：

输入部分参考范例设计：保险丝、压敏电阻、限流电阻、整流桥等。
R1的浸染：起到限流、抑制冲击电流的目的，改进开机上电因冲击电流导致灯具”闪亮”一下的问题。

输入电容设计：C1的选取与输入电压范围以及输出带载能力有关。
电容越大，带载能力越强，但体积和本钱会增加，须要折衷考虑。
设计把稳点：为了减小泄电流，建议输入电容选择CBB电容。

变压器设计：结合开关电源芯片，选取得当的芯片事情模式，根据变压器价格、尺寸以及系统效率来设计变压器大小，选取得当的感量、磁芯尺寸、峰值电流以及线径等。
（详细设计可以参考学习书本资料《精通开关电源设计》(第2版)：第3章离线式变换器及其磁性元件设计）

开关电源掌握IC及外围电路设计：查阅datasheet及demo资料，理解其内部架构，PWM掌握模式、反馈环路、供电设计等。
BP2523C是一款针对单火线智能开关电源运用设计的超低待机功耗的恒压驱动芯片，隔离运用待机功耗仅1.5mW，能有效肃清单火线运用灯泡关断时的微亮或闪烁问题。

输出电压设计：通过光耦反馈输出电压，输出稳压管导通后形成闭环，通过BP2523C的FB引脚实时监测和调节，输出恒定电压Vo。
可以根据产品需求，选取得当的输出电压。
设计把稳点：为了降落待机功耗，通过稳压管电流Iz较低(I<100uA),达不到额定稳压值。
(稳压二极管选型：可以参考江苏长电/长晶 MMSZ系列Iz=50uA)。

根据闭态取电电路的事情事理，我们可以得知灯具回路中一贯”存在”电流i。
当该电流i过大时，会导致某一些灯具涌现”微亮”、”闪烁”（俗称”鬼火”），尤其是在小瓦数LED灯具中征象更为明显，故肃清单火线运用灯泡关断时的微亮或闪烁问题是单火取电技能的一个难点。

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文章3：开态取电电路

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供应稳定的事情电压

开关电路：用于掌握灯具通断的电子开关器件，达到掌握通断的目的

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靠近于零，此时闭态取电回路失落效，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”的每一个互换电周期T中，须要摄取一部分韶光t0用来给智能开关系统供电，剩余的T-t0韶光给灯具供电，这种取电办法称为”分时取电”。
在t0时候，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时候，Q1处于导通状态，能量全部供应给灯具进行正常事情，后端系统通过储能器件坚持供电，此时开态取电电路被”开路”，其电路简化模型如下图。

当无线通信SOC系统收到”开灯”旗子暗记，无线通信SOC系统输出勉励旗子暗记给到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事情。

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；其框架下的常用的掌握电路方案有如下几种：

a). 开态取电专用电源掌握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掌握的取电电路方案为案例，其运用参考电路如下：

取电事情路径：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，市电电压从零线经由灯泡、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。

灯具开态事情路径：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”开始正常事情。
后端系统在该过程中通过储能器件C1、C3进行续能，C1、C3上的能量被花费，故Vout1电压低落；在比较器输出高电日常平凡代， Q3也会被打开，基准电压3脚从Vref1电压低落为Vref2电压；当U1的1脚电压低落到低于基准电压Vref2，比较器U1输出翻转为低电平，进行下一轮的取电。

原文链接：https://www.dianyuan.com/eestar/article-7133.html

文章4：电源转换电路和无线通信SOC电路

电源转换电路

在单火线智能开关中，电源转换电路紧张功能为两个，其示意框图如下，

1).将闭态取电电路和开态取电电路的电压转换成适宜开关电路、无线通信SOC电路事情的电压。
常日采取低功耗/轻载高效的DC-DC或者低功耗型LDO，例如TI的TPS62120、润石的RS7550-1(Iq=2uA)等。
2).将闭态取电电路和开态取电电路的输出电压进行隔离后，再给后端系统供电，防止通过闭态、开态取电电路的器件进行泄电而导致系统功耗增大而带来”鬼火””宕机”等问题。
常日采取二极管作为隔离电路器件。

无线通信SOC电路可根据产品定义选取适宜的无线SoC平台，以目前智能家居主流2.4G无线通信方案Zigbee、蓝牙、Wi-Fi为例，下面列举一些无线通信技能办理方案常用设计方法及方案商：

1).选取无线SoC平台来自行设计定义模组或者SoC on board设计

2).选取无线通信模组厂家的现有成熟模组方案

下面以Silicon Labs的Zigbee无线SOC平台EFR32MG21的最小系统硬件设计为例，除主芯片外，外围配置电路紧张包含:电源电路、时钟电路、RF电路、复位电路。
详细硬件电路需参考Datasheet及Hardware Design Guide来设计调度，以及根据产品功能需求选取得当的事情电压以及增加相应的外设电路,例如按键、指示灯等。

原文链接：https://www.dianyuan.com/eestar/article-7134.html

文章5：单火线智能开关的技能难点 - 闭态”鬼火”问题

单火智能开关办理了智能家居“免布线”“无零线”安装智能开关的问题，但单火取电技能在运用中仍有一些技能问题或瓶颈，下面列举单火取电技能常碰着的技能难点和履历对策。

闭态”鬼火”问题

根据上述闭态取电电路的事情事理，得知灯具回路中一贯”存在”电流i，当该电流i过大时，会导致某一些灯具涌现”微亮”、”闪烁”（俗称”鬼火”）。
当灯具在闭态电流i不超过60uA@220Vac时，可办理市场上≥3Watt灯具(@220Vac事情电压)95%不涌现鬼火。
我们可从如下两个大方向去优化、肃清这一征象：

(一).降落灯具回路中的电流i，即降落整机功耗

根据单火开关闭态事情事理，我们可从几个方法对闭态取电电路的功耗进行优化：

(1).选取得当且低功耗、轻载高效率的闭态取电电路方案。
针对闭态取电电路，硬件设计及选型可参考如下建议：

1.1 电源方案选型：选取超低功耗电源IC。
例如：晶丰明源的超低待机功耗恒压芯片BP8009，待机功耗1.5mW；

1.2 输入母线电容选型：建议选取CBB电容，减少泄电流；电解电容存在一定的泄电流，在高温下，泄电流会增大；

1.3 输出电压设置：在知足器件事情电压条件下，建议选取较低的输出电压，降落功耗；

1.4 输出反馈线路的稳压二极管选型：选取<100uA的低电流Iz的稳压二极管；例如：江苏长电/长晶的稳压二极管 MMSZ系列(Iz=50uA)；

1.5 输出电容选取：建议选取普通电解电容，减少利用固态电容；同等体积下，固态电容的容量大，但泄电流也大；

(2).选取得当且低功耗、轻载高效率的DC-DC或者低功耗、低压差的LDO作为电源转换电路方案，降落转换电路带来额外的损耗，例如：DC-DC方案：TI的TPS62120、LDO线性稳压方案：润石的RS7550-1(Iq=2uA)等；如下图所示，TPS62120的静态电流为11uA，其轻载效率极高。

(3).选取得当的SOC平台、制订得当单火线开关的无线通信SOC软件事情机制，软件事情机制需在功耗、性能、产品功能体验之间平衡。

3.1 检讨SOC所有引脚的配置办法。
针对选用引脚、未选用引脚分别配置合理的IO模式，担保最小系统功耗最低。

3.2 软件事情机制须制订严格的时序哀求：