CN106452095B - 一种交流开关电路及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种交流开关电路及其控制方法。所述交流开关电路耦接于交流输入信号和交流负载之间，包括第一开关、第二开关、驱动电路和供电电路。所述第一开关在关断时阻断交流输入信号的前半个周期，所述第二开关在关断时阻断交流输入信号的后半个周期。所述驱动电路根据使能信号为第一开关和第二开关提供驱动信号。所述供电电路为驱动电路提供电压信号。当第一开关和第二开关关断时，供电电路储存交流输入信号输入的能量，并在第一开关和第二开关开通时与交流输入信号断开连接。与现有技术相比，实现了交流开关功能，缩小了系统体积，降低了功耗和成本。
Description
技术领域
本发明涉及电子电路，具体但不限于涉及交流开关电路及其控制方法。
背景技术
在家庭自动化系统的应用中，例如喷淋器阀、暖通空调(HVAC)、自动调温器和监控摄像机等，传统的方式是采用机械继电器来控制交流电压的输入。图1示出了一种传统HVAC控制系统100中的机械继电器。传统HVAC控制系统100通过变压器T1与电网耦接，所述变压器T1包括一次绕组和二次绕组，所述一次绕组耦接于电网，用来接收一级交流电压，例如220V的交流电压；所述二次绕组耦接于负载12，通过机械继电器来接收二级交流电压，例如24V的交流电压。微控制器(MCU)13输出指令信号CMD以控制机械继电器11的开通和关断。电池组14为微控制器MCU13供电。
然而，机械继电器的体积过大，并且使用寿命短而不恒定，已经不能满足智能家庭自动化技术的发展需要。
发明内容
为了解决上述现有技术的一个或多个技术问题，本发明提出一种交流开关电路及其控制方法。
根据本发明的实施例，提出一种交流开关电路，所述交流开关电路耦接于交流输入信号和交流负载之间，包括：第一端口，耦接于交流输入信号；第二端口，耦接于交流负载；第一开关，关断时阻断交流输入信号的前半个周期，所述第一开关包括第一端、第二端和控制端，所述第一端耦接于交流开关电路的第一端口；第二开关，与第一开关串联，关断时阻断交流输入信号的后半个周期，所述第二开关包括第一端、第二端和控制端，所述第一端耦接于第一开关的第二端，所述第二端耦接于交流开关电路的第二端口；通信模块，包括输入端和第一输出端，所述输入端用来接收指令信号，所述第一输出端基于指令信号而输出使能信号，所述使能信号与指令信号隔离；驱动电路，包括输入端、输出端、供电端和参考地端，所述供电端用来接收电压信号，所述参考地端耦接于第一开关的第二端和第二开关的第一端，所述输入端用来接收使能信号，所述输出端耦接于第一开关的控制端和第二开关的控制端，基于使能信号和电压信号而输出驱动信号，当使能信号处于第一状态时，所述驱动信号基于电压信号而开通或者关断第一开关和第二开关，当使能信号处于第二状态时，所述驱动信号用来关断第一开关和第二开关；供电电路，包括第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，所述第一输入端耦接于交流开关电路的第一端口，所述第二输入端耦接于交流开关电路的第二端口，所述第一输出端耦接于驱动电路的供电端，所述第二输出端耦接于驱动电路的参考地端，当第一开关和第二开关关断时，交流输入信号给供电电路充电以储存能量，当第一开关和第二开关开通时，供电电路与交流输入信号断开连接。
根据本发明的实施例，又提出一种交流开关电路，所述交流开关电路耦接于交流输入信号和交流负载之间，包括：第一端口，耦接于交流输入信号；第二端口，耦接于交流负载；第一开关，关断时阻断交流输入信号的前半个周期；第二开关，关断时阻断交流输入信号的后半个周期；驱动电路，基于使能信号而输出驱动信号以控制第一开关和第二开关，所述驱动电路还包括供电端和参考地端，所述参考地端耦接于第一开关和第二开关的公共端；供电电路，用来输出驱动电路的供电端和参考地端之间的电压信号，其中当第一开关和第二开关关断时，交流输入信号给供电电路充电以储存能量。
根据本发明的实施例，又提出一种交流开关电路的控制方法，所述交流开关电路耦接于交流输入信号和交流负载之间，所述交流开关电路包括串联连接的第一开关和第二开关，其特征在于，所述控制方法包括：通过关断第一开关来阻断交流输入信号的前半个周期；通过关断第二开关来阻断交流输入信号的后半个周期；将交流输入信号整流成直流信号，当第一开关和第二开关关断时，所述直流信号给第一电容充电以储存能量；当第一开关和第二开关开通时，第一电容与交流输入信号断开连接；驱动电路基于使能信号和第一电容两端的电压而输出驱动信号以控制第一开关和第二开关；通过第一电容两端的电压为驱动电路供电。
附图说明
为了更好地理解本发明，将根据以下附图对本发明的实施例进行描述。这些附图仅用来示例。附图通常仅示出实施例中系统或器件的部分特征。附图的尺寸和比例可与实际的尺寸和比例不相一致。
图1示出了一种传统HVAC控制系统100中的机械继电器；
图2示出了根据本发明一实施例的交流开关控制系统200的电路框图；
图3示出了根据本发明一实施例的交流开关控制系统300的电路框图；
图4示出了根据本发明一实施例的交流开关电路31的电路结构示意图；
图5示出了根据本发明一实施例的通信模块43的电路结构示意图；
图6示出了根据本发明一实施例的通信模块43的波形示意图；
图7示出了根据本发明一实施例的驱动电路41的电路原理图；
图8示出了根据本发明一实施例的交流开关控制系统800的电路框图；
图9示出了根据本发明一实施例的交流开关电路81的电路结构示意图；
图10示出了根据本发明一实施例的通信模块93的电路结构示意图；
图11示出了根据本发明一实施例的交流开关电路的控制方法流程图；
贯穿所有附图相同的附图标记表示相同或相似的部件或特征。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用来举例说明，并不用来限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。应当理解，当称元件“连接到”或“耦接于”另一元件时，它可以是直接连接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接连接到”或“直接耦接于”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
图2示出根据本发明一实施例的交流开关控制系统200的电路框图。所述交流开关电路系统200包括交流负载23、交流开关电路20和两个输入端，所述交流开关电路20耦接于交流输入信号Vac和交流负载23之间，所述两个输入端用来接收交流输入信号Vac，所述交流输入信号Vac通过交流开关电路20给交流负载23供电。
在图2所示实施例中，交流开关电路20包括：第一端口AC1，第二端口AC2，开关S1，开关S2，驱动电路21和供电电路22。所述交流开关电路20的第一端口AC1耦接于交流开关控制系统200的一个输入端，用来接收交流输入信号Vac，所述交流开关电路20的第二端口AC2耦接于交流负载23的一个输入端，所述交流负载23的另一个输入端耦接于交流开关控制系统200的另一个输入端；关断所述开关S1可以阻断交流输入信号Vac的前半个周期，例如负半周；所述开关S2与开关S1串联连接，通过关断开关S2可以阻断交流输入信号Vac的后半个周期，例如正半周。在一个实施例中，所述开关S1包括第一端、第二端和控制端，所述第一端耦接于交流开关电路20的第一端口AC1，所述第二端耦接于公共端RTN，所述控制端用来接收驱动信号Dr1。所述开关S1还包括二极管D1，所述二极管D1包括阳极端和阴极端，所述阳极端耦接于公共端RTN，所述阴极端耦接于交流开关电路20的第一端口AC1。在一个实施例中，所述开关S2包括第一端、第二端和控制端，所述第一端耦接于开关S1的第二端，所述第二端耦接于交流开关电路20的第二端口AC2，所述控制端用来接收驱动信号Dr1。所述开关S2还包括二极管D2，所述二极管D2包括阳极端和阴极端，所述阳极端耦接于公共端RTN，所述阴极端耦接于交流开关电路20的第二端口AC2。在图2所示的一个实施例中，所述开关S1是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，所述MOSFET的漏极耦接于交流开关电路20的第一端口AC1，所述MOSFET的源极耦接于公共端RTN，所述MOSFET的门极用来接收驱动信号Dr1；所述开关S2也是MOSFET，所述MOSFET的漏极耦接于交流开关电路20的第二端口AC2，所述MOSFET的源极与开关S1的源极耦接于公共端RTN，所述MOSFET的门极用来接收驱动信号Dr1。
在图2所示实施例中，驱动电路21包括输入端213、供电端211、参考地端212和输出端，所述输入端213用来接收使能信号EN，所述供电端211用来接收电压信号VCC，所述参考地端212耦接于公共端RTN，所述输出端基于使能信号EN和电压信号VCC而输出驱动信号Dr1以控制开关S1和开关S2。在一个实施例中，开关S1和开关S2集成于一个芯片中，在公共端RTN处接地，从而保证芯片的基准电压总是低于工频周期下的交流输入信号Vac。在一个实施例中，当使能信号处于第一状态时，例如，逻辑高，驱动电路21基于电压信号VCC而开通或关断开关S1和开关S2，当使能信号处于第二状态时，例如，逻辑低，驱动电路21用来关断开关S1和开关S2。
在图2所示实施例中，供电电路22包括第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，所述第一输入端耦接于交流开关电路20的第一端口AC1，所述第二输入端耦接于交流开关电路20的第二输入端AC2，所述第一输出端耦接于驱动电路21的供电端211，用来输出电压信号VCC，所述第二输出端耦接于驱动电路21的参考地端212。在一个实施例中，当开关S1和开关S2关断时，供电电路22储存来自交流输入信号Vac的能量。在一个实施例中，当开关S1和开关S2开通时，供电电路22与交流输入信号Vac断开连接。
图3示出了根据本发明一实施例的交流开关控制系统300的电路结构示意图。交流开关控制系统300包括：交流负载23、交流开关电路31和两个用来接收交流输入信号Vac的输入端，所述交流开关电路31耦接于交流输入信号Vac和交流负载23之间，其中交流输入信号Vac通过交流开关电路31给交流负载23输电。在一个实施例中，交流开关电路31集成于一个芯片IC1中。所述芯片IC1包括引脚AC1、AC2、VCC、RTN、GND、FLT和RX。符号“AC1”和“AC2”可以代表芯片IC1的引脚或者交流开关电路31的输入端，符号“VCC”可以代表芯片IC1的引脚或者电压信号VCC，符号“RTN”可以代表芯片IC1的引脚或者公共端RTN，以及符号“GND”可以代表芯片IC1的引脚或参考地GND。引脚AC1耦接于交流开关控制系统300的一个输入端，用来接收交流输入信号Vac，交流开关控制系统300的另一个输入端耦接于交流负载23的另一个输入端，引脚AC2耦接于交流负载23的一个输入端。电容C1耦接于引脚VCC和引脚RTN之间。控制器32输出指令信号CMD以控制交流开关电路31的开通/关断。所述控制器32包括参考地端、输出端和输入端，所述参考地端耦接于参考地GND，所述输出端耦接于芯片IC1的引脚RX，用来输出指令信号CMD，所述输入端耦接于引脚FLT，用来接收故障指示信号Fault。在一个实施例中，控制器32可以是MCU(微控制器单元)、微处理器、ASIC(专用集成电路)，FPGA(现场可编程门阵列)，等等。
图4示出了根据本发明一实施例的交流开关电路31的电路结构示意图。所述交流开关电路31包括：通信模块43、开关S1、开关S2、驱动电路41和供电电路，所述供电电路包括整流电路42、开关S3和电容C1，所述开关S1的一端耦接于引脚AC1，另一端与开关S2的一端耦接于公共端RTN，所述开关S2的另一端耦接于引脚AC2，所述公共端RTN耦接于引脚RTN。
在图4所示实施例中，驱动电路41基于使能信号EN和电压信号VCC而输出驱动信号Dr1以控制开关S1和开关S2。在一个实施例中，公共端RTN为驱动电路41的参考地。在图4所示实施例中，驱动电路41包括比较电路411和驱动器412。所述比较电路411用来接收电压信号VCC、第一阈值VH和第二阈值VL，并且基于电压信号VCC、第一阈值VH和第二阈值VL而输出比较信号CMP。所述驱动器412包括供电端、参考地端、第一输入端和第二输入端，所述供电端耦接于引脚VCC，用来接收电压信号VCC，所述参考地端耦接于公共端RTN，所述第一输入端用来接收使能信号EN，所述第二输入端耦接于比较电路411，用来接收比较信号CMP。当使能信号EN在第一状态时，例如，逻辑高，驱动器412基于比较信号CMP而开通和关断开关S1和开关S2；当使能信号EN在第二状态时，例如，逻辑低，驱动器412用来关断开关S1和开关S2。在一个实施例中，当使能信号EN在第一状态并且电压信号VCC低于第二阈值VL时，驱动器412用来关断开关S1和开关S2；当电压信号VCC大于第一阈值VH时，驱动器412用来开通开关S1和开关S2。第一阈值VH大于第二阈值VL，例如，第一阈值VH为9V，第二阈值VL为6.5V。
在一个实施例中，驱动电路41还用来接收电流检测信号Is，所述电流检测信号Is表征流过开关S1和开关S2的电流I1。当电流I1趋向于零时，驱动器412可基于使能信号EN和比较信号CMP而关断开关S1和开关S2。例如，当电压信号VCC小于第二阈值VL以及电流检测信号Is低于零电流阈值Ith时，驱动器412关断开关S1和开关S2。当使能信号在第二状态以及电流检测信号Is小于零电流阈值Ith时，驱动器412关断开关S1和开关S2。
在一个实施例中，驱动电路41还用来接收电压检测信号Vs，所述电压检测信号Vs表征开关S1和开关S2之间的电压。当电压检测信号Vs趋向于零时，驱动器412可用来开通开关S1和开关S2。例如，当使能信号EN在第一状态以及电压检测信号Vs小于零电压阈值Vth时，驱动器412用来开通开关S1和开关S2。
在图4所示实施例中，整流电路42包括：耦接于引脚AC1的第一输入端、耦接于引脚AC2的第二输入端、耦接于引脚VCC的第一输出端和耦接于引脚RTN的第二输出端。在一个实施例中，图4示出整流电路42包括四个二极管。当开关S1和开关S2关断时，整流电路42将交流输入信号Vac整流成直流信号DC，所述直流信号DC为整流电路42的第一输出端和第二输出端之间的信号。开关S3耦接于整流电路42和电容C1之间。在图4所示的一个实施例中，开关S3耦接于引脚VCC和整流电路42之间，开关S3也可以耦接于引脚RTN和整流电路42之间。在另一个实施例中，开关S3可以被省去。开关S3包括用来接收比较信号CMP的控制端。当电压信号VCC小于第二阈值VL时，开关S1和开关S2关断，开关S3开通，整流电路42对电容C1进行充电以储能，电压信号VCC增大。当电压信号VCC大于第一阈值VH时，开关S1和开关S2开通，开关S3关断，电容C1与交流输入信号Vac断开连接。
在图4所示实施例中，通信模块43包括：输入端、第一输出端、第二输出端和参考地端，所述输入端耦接于引脚RX，用来接收指令信号CMD，所述第一输出端基于指令信号而输出使能信号EN，所述第二输出端耦接于引脚FLT，用来输出故障指示信号Fault，所述参考地端耦接于引脚GND。在一个实施例中，当指令信号CMD为逻辑高时，交流开关电路31中的开关S1和开关S2开通；当指令信号CMD为逻辑低时，交流开关电路31中的开关S1和开关S2关断。故障指示信号Fault用来指示交流开关电路31中是否有故障发生。在一个实施例中，当故障发生在交流开关电路31中时，故障指示信号Fault变为逻辑低，否则故障指示信号Fault为逻辑高。图5示出了根据本发明一实施例的通信模块43的电路结构示意图。
如图3-4所示，电容C1可以代替电池组为驱动电路41供电，这节约了系统成本和人工成本。当开关S1和开关S2关断时，交流输入信号Vac施加在交流开关电路31的端口AC1和端口AC2之间，能量通过整流器42储存在电容C1中。当开关S1和开关S2开通时，电容C1与交流输入信号Vac断开连接。
图5示出了根据本发明一实施例的通信模块43的电路结构示意图。通信模块43包括：转换模块431、隔离模块432和转换模块433。所述转换模块431包括数据端431a、数据端431b、用来接收指令信号CMD的输入端和用来输出故障指示信号Fault的输出端，所述转换模块431输出差分信号VTX，所述差分信号VTX为数据端431a和数据端431b间的信号。所述隔离模块432耦接于转换模块431和转换模块433之间，所述转换模块431与驱动电路41、供电电路、开关S1和开关S2隔离。在一个实施例中，所述隔离模块432包括隔离电容CH和CL。所述隔离电容CH的一端耦接于转换模块431的数据端431a，另一端耦接于转换模块433的数据端433a。所述隔离电容CL的一端耦接于转换模块431的数据端431b，另一端耦接于转换模块433的数据端433b。所述转换模块433还包括输出端，所述输出端基于差分信号VTX而输出使能信号EN。状态监测器435用来监测交流开关电路31的状态，并向转换模块433传输交流开关电路31的状态信息。交流开关电路81的状态信息可以包括：开关SW异常、过流、过温，等等。在一个实施例中，当状态监测器435监测到交流开关电路31中的故障状态时，转换模块433通过隔离模块432通知转换模块431，然后转换模块431将故障指示信号Fault传给控制器32，例如，逻辑低。
在一个实施例中，当接收到指令信号CMD时，转换模块431对指令信号CMD进行转换，并通过高频载波信号传输差分信号VTX。转换模块433用来转换差分信号并将使能信号EN传到驱动电路41。然后转换模块433将交流开关电路31的状态信息通过隔离模块432传回到转换模块431，转换模块431输出相应的故障指示信号Fault。差分信号VTX可以由多组脉冲组成，其中每个脉冲组都包含高频载波信号，例如4MHz的载波信号。在一个实施例中，差分信号VTX的不同脉冲组数目N代表不同的指令。表1示出一个指令定义的例子。当在预设时间周期的数据传输中有2组脉冲时，例如，N＝2，差分信号VTX代表“关断”命令。当在预设时间段的数据传输中有四组脉冲时，例如，N＝4，差分信号VTX代表“开通”命令。
表1指令定义
| N | 指令 | 描述 |
| 2 | 关断 | 关断交流开关电路31 |
| 4 | 开通 | 开通交流开关电路31 |
在图5所示实施例中，转换模块433基于差分信号VTX输出使能信号EN。如果差分信号VTX的脉冲组数目N代表”开通”指令，使能信号变成逻辑高，驱动电路41基于电压信号VCC而开通开关S1和开关S2。如果差分信号VTX的脉冲组数目N代表指令“关断”，使能信号EN变成逻辑低，驱动电路41关断开关S1和开关S2。
在一个实施例中，通信模块43还包括看门狗时钟434。所述看门狗时钟434在每个监视时间周期监视指令信号CMD的状态，例如，1s。如果指令信号CMD是逻辑高，转换模块431输出“开通”指令以开通开关S1和S2。然后转换模块431进入休眠模式以减小静态电流。如果指令信号CMD变成逻辑低，转换模块431被激活，输出“关断”指令以关断开关S1和S2。看门狗时钟434在指令信号CMD的上升沿和下降沿被触发刷新以检测指令信号CMD的状态。
图6示出了根据本发明一实施例的通信模块43的波形示意图。如图6所示，在T1时刻，指令信号CMD变成逻辑高，看门狗时钟434被刷新，转换模块431在预设周期Tsend内输出包含4个脉冲组的差分信号，代表”开通”指令。在图6所示的一种实施例中，预设的时间周期Tsend为200μs。在一种实施例中，每组脉冲都包含4MHz的载波信号，并且每组脉冲之间的时间间隔必须大于2μs。在T2时刻，由转换模块433输出的使能信号变成逻辑高，开关S1和开关S2开通。然后转换模块431进入休眠状态，看门狗时钟434每隔1s监视RX的状态。在T3时刻，指令信号CMD变成逻辑低，看门狗时钟434被刷新，转换模块431在预设的时间周期Tsend内输出包括2个脉冲组的差分信号，代表指令“关断”。在T4时刻，由转换模块433输出的使能信号EN变成逻辑低，开关S1和开关S2关断。
图7示出了根据本发明一实施例的驱动电路41的电路结构示意图。如图7所示，驱动电路41包括：比较电路411、驱动器412、比较电路71、比较电路72和逻辑电路73。比较电路411基于电压信号VCC、第一阈值VH和第二阈值VL而输出比较信号CMP。如图7所示，当电压信号VCC大于第一阈值VH时，比较信号CMP变成逻辑高，当电压信号VCC小于第二阈值VL时，比较信号CMP变成逻辑低。比较电路71包括同相端、反相端和输出端，所述同相端用来接收零电压阈值Vth，所述反相端用来接收电压检测信号Vs，所述输出端用来输出零电压开关信号ZVS。比较电路72包括同相端、反相端和输出端，所述同相端用来接收电流检测信号Is，所述反相端用来接收零电流阈值Ith，所述输出端用来输出零电流开关信号ZCS。逻辑电路73用来接收比较信号CMP、使能信号EN、零电压开关信号ZVS和零电流开关信号ZCS，并且基于比较信号CMP、使能信号EN、零电压开关信号ZVS和零电流开关信号ZCS而输出控制信号CTRL。当使能信号EN为逻辑高时，所述逻辑电路73基于比较信号CMP和零电压开关信号ZVS开通开关S1和开关S2，所述逻辑电路73基于比较信号CMP关断开关S1和开关S2。在一个实施例中，逻辑电路73包括门电路731、选择电路732、门电路733和RS触发器734。所述门电路731包括第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端耦接于比较电路71的输出端，用来接收零电压开关信号ZVS，所述第二输入端耦接于比较电路411的输出端，用来接收比较信号CMP。在一个实施例中，门电路731是一个与门。所述选择电路732包括第一输入端、第二输入端、控制端和输出端，所述第一输入端耦接于比较电路72的输出端，用来接收零电流开关信号ZCS，所述第二输入端耦接于逻辑高信号，所述控制端用来接收使能信号EN。所述门电路733包括第一输入端、第二输入端和输出端，其中所述第一输入端耦接于选择电路732的输出端，所述第二输入端用来接收使能信号EN。在一个实施例中，门电路733是一个或门。所述RS触发器734包括设置端S、复位端R、使能端E和输出端Q，其中所述设置端S耦接于门电路731的输出端，所述复位端R反相耦接于比较电路411的输出端，所述使能端E耦接于门电路733的输出端，所述输出端Q用来输出控制信号CTRL。所述驱动器412包括输入端、供电输入端、参考地端和输出端，其中所述输入端耦接于逻辑电路73，用来接收控制信号CTRL，所述供电输入端耦接于引脚VCC，用来接收电压信号VCC，所述参考地端耦接于引脚RTN，所述输出端用来输出驱动信号Dr1。如图7所示，如果使能信号EN为逻辑低，当电流检测信号Is小于零电流阈值Ith时，驱动器412输出驱动信号将开关S1和开关S2关断。如果使能信号EN为逻辑高，当电压信号VCC大于第一阈值VH，并且电压检测信号Vs小于零电压阈值Vth时，RS触发器734被触发，驱动器412输出驱动信号开通开关S1和开关S2；当电压信号VCC小于第二阈值VL时，RS触发器734复位，驱动器412输出驱动信号关断开关S1和开关S2。
图8示出了根据本发明一实施例的交流开关控制系统800的电路结构示意图。所述交流开关控制系统800包括：交流负载23、交流开关电路81和两个用来接收交流输入信号Vac的输入端口，所述交流开关电路81耦接于交流输入信号Vac和交流负载23之间。在一个实施例中，交流开关电路81集成于一个芯片IC2中。所述芯片IC2包括引脚AC1、AC2、VCC、RTN、RX、TX、FLT和GND。符号“AC1”和“AC2”可以代表芯片IC2的引脚或者交流开关电路81的输入端口，符号“VCC”可以代表IC2的引脚或者电压信号VCC，符号“RTN”可以代表IC2的引脚或者公共端RTN，符号“GND”可以代表芯片IC2的引脚或者参考地端GND。所述引脚AC1耦接于交流开关控制系统800的一个输入端口，用来接收交流输入信号Vac，所述引脚AC2耦接于交流负载23的输入端，在图8所示实施例中，交流开关控制系统800的另一个输入端口耦接于交流负载23的另一个输入端。电容C1耦接于引脚VCC和引脚RTN之间。芯片IC2的引脚RX用来接收由控制器32发送的指令信号CMD，从而控制交流开关电路81的开通/关断，芯片IC2的引脚FLT将故障指示信号Fault传输回控制器32，芯片IC2的引脚TX将状态信号STA传回到控制器32。
图9示出了根据本发明一实施例的交流开关电路81的电路结构示意图。图9所示的交流开关电路81与交流开关电路31类似，它们的区别将在下文中描述。通信模块93包括输入端、第一输出端、第二输出端、第三输出端和参考地端，所述输入端耦接于引脚RX，用来接收指令信号CMD，所述第一输出端基于指令信号CMD而输出使能信号EN，所述第二输出端耦接于引脚FLT，用来输出故障指示信号Fault，所述第三输出端耦接于引脚TX，用来传输交流开关电路81的状态信号STA，所述参考地端耦接于引脚GND。在图9所示实施例中，故障指示信号Fault用来表征交流开关电路81中是否有故障发生。在一个实施例中，当有故障发生在交流开关电路81中时，故障指示信号Fault变成逻辑低，否则故障指示信号Fault为逻辑高。通信模块93的具体电路实施例在图10中示出。
图10示出了根据本发明一实施例的通信模块93的电路结构示意图。所述通信模块93包括：转换模块931、隔离模块932和转换模块933。所述转换模块931包括数据端931a、数据端931b、用来接收指令信号CMD的输入端、用来输出故障指示信号Fault的第一输出端和用来输出状态信号STA的第二输出端。当指令信号CMD代表”开通”指令或者指令“关断”时，转换模块931输出相应的差分信号VTX，所述差分信号VTX位于数据端931a和数据端931b之间。当指令信号CMD代表指令“读取“时，转换模块931接收相应的差分信号VTX，所述隔离模块932耦接于转换模块931和转换模块933之间，并与驱动电路41、开关S1和开关S2隔离。在一个实施例中，所述隔离模块932包括隔离电容CH和CL。所述隔离电容CH的一端耦接于转换模块931的数据端931a，另一端耦接于转换模块933的数据端933a。所述隔离电容CL的一端耦接于转换模块931的数据端931b，另一端耦接于转换模块933的数据端933b。所述转换模块933还包括一个输出端，所述输出端基于差分信号VTX输出使能信号。状态监测器935将交流开关电路81的状态信息传输到转换模块933。交流开关电路81的状态信息可以包括开关SW反常、过流、过温，等等。在一个实施例中，当状态监测器935监测到交流开关电路81上的故障状态时，转换模块933通过隔离模块932向转换模块931报告，然后转换模块931将故障指示信号Fault传输到控制器32以报告交流开关电路81中发生了故障，例如，逻辑低。
表2指令定义
| N | 指令 | 描述 |
| 2 | 关断 | 关断交流开关电路81 |
| 4 | 开通 | 开通交流开关电路81 |
| 6 | 读取 | 读取交流开关电路81的状态 |
在一个实施例中，当接收到指令信号CMD时，转换模块931转换指令信号CMD，并利用高频载波信号传输差分信号VTX。差分信号VTX可以包括多组脉冲，其中每组脉冲都包含高频载波信号，例如4MHz的载波信号。在一个实施例中，在预设的时间周期Tsend内，差分信号的不同脉冲组数目N代表不同指令。表2示出一个指令定义的例子。
转换模块933用来转换差分信号VTX和对不同指令作出相应反馈。当接收到代表”开通”指令的差分信号VTX时，转换模块933输出使能信号EN以开通开关S1和开关S2，然后转换模块933可以通过隔离模块932将交流开关电路81的状态信息传回转换模块931，转换模块931输出相应的故障指示信号Fault。当接收到代表指令“关断”的差分信号VTX时，转换模块933输出使能信号EN以关断开关S1和开关S2，转换模块931输出相应的故障指示信号Fault。当接收到代表”读取”指令的差分信号VTX时，转换模块933将交流开关电路81的状态信息传回转换模块931。表3示出一个状态定义的例子。
表3状态定义
| N | 状态 | 描述 |
| 2 | 关断 | 交流开关电路81为关断状态 |
| 4 | 开通 | 交流开关电路81为开通状态 |
| 6 | Fault | 开关异常 |
| 8 | OC | 过流 |
在一个实施例中，通信模块43还包括一个看门狗时钟934。所述看门狗时钟934在每一个监视时间周期监视指令信号CMD的状态，例如，1s。当指令信号CMD代表”开通”指令时，看门狗时钟被刷新。在一个实施例中，当看门狗时钟的时间长于一个阈值时间周期时，转换模块931关断开关S1和开关S2。
图11示出了根据本发明实施例的一种交流开关电路的控制方法，所述交流开关电路耦接于交流输入信号和交流负载之间，所述交流开关电路包括串联连接的第一开关和第二开关。其特征在于，所述控制方法包括步骤S111～S115。
步骤S111，通过第一开关的关断来阻断交流输入信号的前半个周期，通过第二开关的关断来阻断交流输入信号的后半个周期。
步骤S112，当第一开关和第二开关关断时，将交流输入信号整流成直流信号给第一电容电容充电以储存能量。
步骤S113，当第一开关和第二开关开通时，将第一电容与交流输入信号断开连接。
步骤S114，驱动电路基于使能信号和第一电容上的电压而输出驱动信号以控制第一开关和第二开关。在一个实施例中，当使能信号处于第一状态时，例如，逻辑高，基于第一电容上的电压，第一开关和第二开关开通；当使能信号处于第二状态时，例如，逻辑低，第一开关和第二开关关断。在一个实施例中，第一开关和第二开关的公共端耦接于驱动电路的参考地端。
步骤S115，第一电容给驱动电路供电。所述第一电容耦接于驱动电路的供电端和驱动电路的参考地端之间。
在一个实施例中，当第一电容两端的电压小于第二阈值时，第一开关和第二开关关断，交流输入信号给第一电容充电。当第一电容两端的电压大于第一阈值时，第一开关和第二开关开通，第一电容与交流输入信号断开连接。
在一个实施例中，所述控制方法还包括：当流过第一开关和第二开关的电流小于零电流阈值时，驱动电阻可以关断第一开关和第二开关以实现零电流开。
在一个实施例中，当使能信号为第一状态以及电压检测信号低于零电压阈值时，驱动电路用来开通第一开关和第二开关。
Claims (20)
1.一种交流开关电路，耦接于交流输入信号和交流负载之间，所述交流开关电路包括：
第一端口，耦接于交流输入信号；
第二端口，耦接于交流负载；
第一开关，关断时阻断交流输入信号的前半个周期，所述第一开关包括第一端、第二端和控制端，所述第一端耦接于交流开关电路的第一端口；
第二开关，与第一开关串联，关断时阻断交流输入信号的后半个周期，所述第二开关包括第一端、第二端和控制端，所述第一端耦接于第一开关的第二端，所述第二端耦接于交流开关电路的第二端口；
通信模块，包括输入端和第一输出端，所述输入端用来接收指令信号，所述第一输出端基于指令信号而输出使能信号，所述使能信号与指令信号相互隔离；
驱动电路，包括输入端、输出端、供电端和参考地端，所述供电端用来接收电压信号，所述参考地端耦接于第一开关的第二端和第二开关的第一端，所述输出端耦接于第一开关的控制端和第二开关的控制端，基于使能信号和电压信号而输出驱动信号，其中当使能信号处于第一状态时，驱动信号基于电压信号而开通和关断第一开关和第二开关，当使能信号处于第二状态时，驱动信号用来关断第一开关和第二开关；以及
供电电路，包括第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，所述第一输入端耦接于交流开关电路的第一端口，所述第二输入端耦接于交流开关电路的第二端口，所述第一输出端耦接于驱动电路的供电端，所述第二输出端耦接于驱动电路的参考地端，其中当第一开关和第二开关关断时，交流输入信号给供电电路充电以储存能量，当第一开关和第二开关开通时，供电电路与交流输入信号断开连接。
2.如权利要求1所述的交流开关电路，所述驱动电路还包括：
比较电路，基于电压信号、第一阈值和第二阈值而输出比较信号；以及
驱动器，基于比较信号和使能信号而输出驱动信号，所述驱动器由电压信号供电，当使能信号处于第一状态，并且电压信号小于第二阈值时，所述驱动器输出驱动信号以关断第一开关和第二开关，当电压信号增大至第一阈值，所述驱动器输出驱动信号以再次开通第一开关和第二开关，其中第一阈值大于第二阈值。
3.如权利要求1所述的交流开关电路，所述供电电路还包括：
整流电路，包括第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，所述第一输入端耦接于交流开关电路的第一端口，所述第二输入端耦接于交流开关电路的第二端口，所述第一输出端耦接于驱动电路的供电端，所述第二输出端耦接于驱动电路的参考地端；以及
第一电容，耦接于整流电路的第一输出端和第二输出端之间，其中当第一开关和第二开关关断时，交流输入信号被整流成直流信号，给所述第一电容充电以储存能量。
4.如权利要求1所述的交流开关电路，所述通信模块还包括：
第一转换模块，包括输入端、第一数据端和第二数据端，所述输入端用来接收指令信号，所述第一转换模块基于指令信号而输出第一数据端和第二数据端之间的差分信号；
隔离模块，包括第一端、第二端、第三端和第四端，所述第一端耦接于第一转换模块的第一数据端，所述第二端耦接于第一转换模块的第二数据端；以及
第二转换模块，包括第一数据端、第二数据端和输出端，所述第一数据端耦接于隔离模块的第三端，所述第二数据端耦接于隔离模块的第四端，所述输出端基于差分信号而输出使能信号。
5.如权利要求4所述的交流开关电路，所述隔离模块还包括：
第二电容，耦接于第一转换模块的第一数据端和第二转换模块的第一数据端之间；以及
第三电容，耦接于第一转换模块的第二数据端和第二转换模块的第二数据端之间。
6.如权利要求1所述的交流开关电路，所述通信模块还包括：
看门狗时钟，每隔预设时间周期对指令信号的状态进行检测，所述看门狗时钟在第一开关和第二开关开通时被刷新。
7.如权利要求1所述的交流开关电路，所述通信模块还包括：
状态监测器，用来监测交流开关电路的状态。
8.如权利要求1所述的交流开关电路，所述通信模块还包括：
第二输出端，用来输出代表交流开关电路状态信息的状态信号；
第三输出端，用来输出故障指示信号，指示交流开关电路是否发生故障；
第一转换模块，包括输入端、第一输出端、第二输出端、第一数据端和第二数据端，其中所述输入端用来接收指令信号，所述第一输出端用来输出状态信号，所述第二输出端用来输出故障指示信号；
隔离模块，包括第一端、第二端、第三端和第四端，所述第一端耦接于第一转换模块的第一数据端，所述第二端耦接于第一转换模块的第二数据端；以及
第二转换模块，包括第一数据端、第二数据端和输出端，所述第一数据端耦接于隔离模块的第三端，所述第二数据端耦接于隔离模块的第四端，所述输出端用来输出使能信号；其中
当指令信号为“开通”指令时，所述第二转换模块输出使能信号以开通第一开关和第二开关，然后将交流开关电路的状态信息传回到第一转换模块，第一转换模块输出相应的故障指示信号；
当指令信号为“关断”指令时，所述第二转换模块输出使能信号以关断第一开关和第二开关，然后将交流开关电路的状态信息传回到第一转换模块，第一转换模块输出相应的故障指示信号；以及
当指令信号为“读取”指令时，所述第二转换模块将交流开关电路的状态信息传回到第一转换模块。
9.如权利要求1所述的交流开关电路，所述驱动电路用来接收电流检测信号，所述电流检测信号表征流过第一开关和第二开关的电流，当电流检测信号低于零电流阈值时，驱动电路用来关断第一开关和第二开关。
10.如权利要求1所述的交流开关电路，所述驱动电路用来接收电压检测信号，所述电压检测信号表征第一开关的第一端和第二开关的第一端之间的电压，当使能信号为第一状态以及电压检测信号低于零电压阈值时，驱动电路用来开通第一开关和第二开关。
11.一种交流开关电路，耦接于交流输入信号和交流负载之间，所述交流开关电路包括：
第一端口，耦接于交流输入信号；
第二端口，耦接于交流负载；
第一开关，关断时阻断交流输入信号的前半个周期；
第二开关，与第一开关串联，所述第二开关关断时阻断交流输入信号的后半个周期；
驱动电路，基于使能信号输出驱动信号以控制第一开关和第二开关，所述驱动电路包括供电端和参考地端，所述参考地端耦接于第一开关和第二开关的公共端；以及
供电电路，用来输出驱动电路的供电端与参考地端之间的电压信号，其中当第一开关和第二开关关断时，交流输入信号给所述供电电路充电以储存能量。
12.如权利要求11所述的交流开关电路，所述供电电路还包括：
整流电路，包括第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，所述第一输入端耦接于交流开关电路的第一端口，所述第二输入端耦接于交流开关电路的第二端口，所述第一输出端耦接于驱动电路的供电端，所述第二输出端耦接于驱动电路的参考地端；以及
第一电容，耦接于整流电路的第一输出端和第二输出端之间，其中当第一开关和第二开关关断时，交流输入信号被整流成直流信号，给所述第一电容充电以储存能量，当第一开关和第二开关开通时，所述第一电容与交流输入信号断开连接。
13.如权利要求11所述的交流开关电路，其中：
所述第一开关还包括第一二极管，所述第一二极管包括阴极端和阳极端，所述阴极端耦接于交流开关电路的第一端口，所述阳极端耦接于第一开关和第二开关的公共端；以及
所述第二开关还包括第二二极管，所述第二二极管包括阴极端和阳极端，所述阴极端耦接于交流开关电路的第二端口，所述阳极端耦接于第一开关和第二开关的公共端。
14.如权利要求11所述的交流开关电路，所述驱动电路还包括：
比较电路，基于电压信号、第一阈值和第二阈值而输出比较信号；以及
驱动器，基于比较信号和使能信号而输出驱动信号；其中
当使能信号处于第一状态，并且电压信号小于第二阈值时，所述驱动信号用来关断第一开关和第二开关，当电压信号大于第一阈值时，所述驱动信号用来开通第一开关和第二开关；以及
当使能信号处于第二状态时，所述驱动信号用来关断第一开关和第二开关。
15.如权利要求11所述的交流开关电路，所述交流开关电路还包括通信模块，所述通信模块基于指令信号而输出使能信号，所述使能信号通过隔离电容与指令信号隔离。
16.一种交流开关电路的控制方法，所述交流开关电路耦接于交流输入信号和交流负载之间，所述交流开关电路包括串联连接的第一开关和第二开关，所述控制方法包括：
通过关断第一开关来阻断交流输入信号的前半个周期；
通过关断第二开关来阻断交流输入信号的后半个周期；
当第一开关和第二开关都关断时，将交流输入信号整流成直流信号给第一电容充电以储存能量；
当第一开关和第二开关开通时，第一电容与交流输入信号断开连接；
驱动电路基于使能信号和第一电容两端的电压而输出驱动信号以控制第一开关和第二开关；以及
通过第一电容两端的电压给驱动电路供电。
17.如权利要求16所述的控制方法，当使能信号处于第一状态，并且第一电容两端的电压小于第二阈值时，第一开关和第二开关被关断，当第一电容两端的电压大于第一阈值时，第一开关和第二开关被开通，当使能信号处于第二状态时，第一开关和第二开关被关断。
18.如权利要求16所述的控制方法，还包括：基于指令信号而输出使能信号，所述使能信号与指令信号隔离；其中
当指令信号为“开通”指令时，使能信号用来开通第一开关和第二开关，故障指示信号被传回以判断交流开关电路是否发生故障；
当指令信号为“关断”指令时，使能信号用来关断第一开关和第二开关，故障指示信号被传回以判断交流开关电路是否发生故障；以及
当指令信号为“读取”指令时，表征交流开关电路状态信息的状态信号被传回至第一转换模块。
19.如权利要求16所述的控制方法，还包括：通过看门狗时钟监测指令信号，所述看门狗时钟在第一开关和第二开关开通时被刷新。
20.如权利要求16所述的控制方法，还包括：当流过第一开关和第二开关的电流小于零电流阈值时，驱动电路输出驱动信号以关断第一开关和第二开关。
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