CN106971922B - 低成本低待机功耗的费控断路器控制系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低成本低待机功耗的费控断路器控制系统及控制方法。控制系统包括电路部分和非电路部分，电路部分包括功率供电模块、线性供电模块、电机驱动模块、控制器模块和费控信号接收模块，非电路部分包括限位开关/模式选择开关、动作电机以及外壳传动结构。本发明在成本和体积上有相当的优势，同时具有很强的EMC耐受能力，能在浪涌、快变脉冲和静电放电干扰下保证正常的控制逻辑，可以仅使用一个8引脚的51内核单片机作为控制器，配合少量电阻电容等无源器件，实现所有的费控功能。
Description
技术领域
本发明涉及家庭断路器及板级电路设计领域，特别适用于存在外部费控信号下控制空气开关的分合闸电路。
背景技术
家用断路器，又名空气开关，是一种低压断路器。它是一种只要电路中电流超过额定电流就会自动断开的开关。空气开关是低压配电网络和电力拖动系统中非常重要的一种电器，它集控制和多种保护功能于一身。它除了能完成接触和分断电路外，还能对电路或电气设备发生的短路、严重过载等进行保护。
智能电表所使用的断路器（即费控断路器）在保持原有断路器性能上，增加了欠费断电和缴费合闸的功能。
目前的费控断路器产品大多使用变压器隔离的AC/DC变换器进行供电，并使用20引脚或以上的单片机进行控制，存在电路复杂、成本高和体积大的缺陷，降低了可靠性。同时复杂的电路不利于在有限空间内集成其他保护电路。
发明内容
为了优化费控断路器电路、减小其体积并降低成本，本发明提供了一种低成本低待机功耗的费控断路器控制系统及控制方法。
一种低成本低待机功耗的费控断路器控制系统，包括电路部分和非电路部分，电路部分包括功率供电模块、线性供电模块、电机驱动模块、控制器模块和费控信号接收模块，非电路部分包括限位开关/模式选择开关、动作电机以及外壳传动结构。
其中，
功率供电模块将220V交流市电转换为12V直流电，同时具有通断控制功能，在弱电信号的控制之下接通或断开电源连接，12V直流电用于驱动动作电机；
线性供电模块将220V交流市电转换为5V直流电，5V直流电用于控制器的供电；
电机驱动模块从控制器处接收控制信号实现对动作电机的控制；
控制器接收限位开关/模式选择开关和费控信号接收模块的信号，控制功率供电模块和电机驱动模块；
费控信号接收电路接收费控信号，转换为控制器能接收并辨识的低压逻辑电平。
所述的电路部分和限位开关/模式选择开关集成在PCB上。
所述的功率供电模块包括：
半波整流器，用于将输入模块的市电转换为单极性的脉动电压；
光控可控硅，作为一个悬浮开关器件控制该模块的供电通断，仅在动态下控制降压Buck工作，减小静态电流，同时该部分实现输入强电和控制弱电间的隔离；
输入滤波器，用于将整流后的脉动电压进行平滑，减小输入脉动电压的纹波，使Buck控制器在动态下可靠工作；
高边悬浮的Buck控制器，该部分将根据输出电压的高低，通过脉冲宽度调制（PMW）以一定的频率和占空比驱使一个开关器件的导通和关断，从而与后级一同形成一个降压DC/DC变换器(Buck)；
输出滤波器，用于将Buck控制器输出的方波电压进行平滑，以得到小纹波的直流输出。
所述的线性供电模块包括：
半波整流器，用于将输入模块的市电转换为单极性的脉动电压；
基准源，用于产生一个6.8V的直流电压作为降压器输出的基准；
输入滤波器，用于将整流后的脉动电压进行平滑；
功耗分担电阻，用于分担降压晶体管的功耗压力，防止三极管在上电瞬间的瞬态功耗过大而导致的热失效；
降压晶体管，用于将平滑后的高电压降压至基准源所给定的电压值；
输出滤波器，用于进一步减小输出电压的纹波，使基准源保持稳定。
所述的费控信号接收电路包括：
限流电阻，用于降低输入费控信号的电压，限制费控动作电流，并防止LED灯和信号光耦因大电流而烧毁；
LED指示灯，用于指示是否为欠费状态，若用户为正常状态，LED指示灯持续亮红光，若用户为欠费状态，LED灯熄灭，提醒用户需要缴费；
信号光耦和上拉电阻，用于传输费控信号，并且对输入强电和控制弱电进行隔离，用于当信号光耦断开时，将输出控制电平抬升至5V，当信号光耦闭合时，输出控制信号为零电平，阻值较大的上拉电阻减小了该通路的电流；
滤波电容，用于滤除输出高频杂波，使输出到单片机的欠费信号稳定，具有干扰抑制功能，能将快变脉冲等干扰信号滤除，保证输出逻辑电平的稳定性。
所述的控制器模块包括：
一个单片机，实现费控功能，包括:欠费时分闸断电并进入合闸不允许状态、自动模式时欠费结束自动合闸供电、手动模式时欠费结束进入合闸允许状态和提供上电状态的反馈信号；
限流电阻，用于减小单片机输出电流，防止单片机输出电流倒灌而引起马达驱动芯片误动作；
滤波电阻，消除电源信号上含有的高频杂波，使输入单片机的电平纯净，并且能起到一定限流作用；
滤波电容，消除电源信号的高频杂波。
一种根据所述的控制系统的控制方法，
步骤1，对电路进行上电后首先将对控制器进行初始化过程，具体包括使控制流程回到初始步骤，即上电复位，以及配置控制器的各个内部变量，即进行配置初始化；
步骤2，进行7秒的延时，延时期间控制器无动作；
步骤3，控制器输出相应的控制信号，使功率供电模块导通，此步包含延时以保证功率供电模块已稳定运行并输出12V电压；
步骤4，控制器对费控信号进行判断，若是欠费状态，进行步骤5，若是非欠费状态，进行步骤6；
步骤5，控制器输出相应的控制信号，驱使动作电机正转，即分闸动作，同时一直判断分闸限位开关是否已接通，若否，则继续执行步骤5；若是，则进行步骤9；
步骤6，控制器对模式开关状态进行判断，模式开关与合闸限位开关是并联关系，此步骤等效于判断合闸限位开关是否已接通，若是，则认为是手动模式，执行步骤7；若否，则认为是自动模式，执行步骤8；
步骤7，控制器输出相应的控制信号，驱使动作电机反转，即进入合闸允许状态，此步骤持续2秒的时间，然后执行步骤9；
步骤8，控制器输出相应的控制信号，驱使动作电机正转，即合闸动作，同时一直判断合闸限位开关是否已接通，若否，则继续执行步骤8；若是，则进行步骤9；
步骤9，控制器输出相应的控制信号，驱使动作电机刹车；
步骤10，控制器输出相应的控制信号，使功率供电模块断电；
步骤11，控制器进入休眠状态，此时控制器本身的静态电流小于10uA(DC)，当费控信号出现改变时，控制器将通过内部的中断系统从休眠中恢复，并执行步骤3。
本发明的有益效果：
相比已有的其他方案，在成本和体积上有相当的优势，同时具有很强的EMC耐受能力，能在浪涌、快变脉冲和静电放电干扰下保证正常的控制逻辑，均已通过相关国家标准的测试。该费控断路器控制系统可以仅使用一个8引脚的51内核单片机作为控制器，配合少量电阻电容等无源器件，实现所有的费控功能。
附图说明
图1为本发明的整体原理框图；
图2为本发明中线性供电模块的电路图；
图3为本发明中功率供电模块的电路图；
图4为本发明的控制程序流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行阐述。
图1为本发明的整体原理框图。其中包括电路部分和非电路部分，电路部分包括功率供电模块、线性供电模块、电机驱动模块、控制器模块和费控信号接收模块，非电路部分包括限位开关/模式选择开关、动作电机以及外壳传动结构。
这些模块均可使用产品化的专用集成电路以及分立元件构建，并被集成在一块有效面积为6*5.5 cm2的PCB上。余下的3个部分中，限位开关/模式选择开关和费控指示LED也被集成到同一块PCB上，动作电机则被独立安装在费控断路器的特定机械结构中，如见专利CN201310333950.1。该PCB上还具有三组接口，分别是用于从市电取电的供电接口、用于连接动作电机的电机接口和用于接收费控信号并提供上电反馈信号的控制反馈接口。
功率供电模块实现将220V交流市电转换为12V直流电的功能。12V直流电将用于驱动动作电机的转动。该模块同时具有通断控制功能，能在弱电信号的控制之下接通或断开电源连接，实现极低待机电流，静态电流小于0.1mA。
线性供电模块实现将220V交流市电转换为5V直流电的功能。5V直流电将用于控制器的供电。该模块经过特别的静态功耗优化处理，即将初级滤波电容和达林顿管基极输入分为两个支路，并用二极管隔开，防止滤波电容充放电对达林顿管的干扰，最终能实现100uA(AC RMS)以下的待机电流。
电机驱动模块实现对动作电机转动的控制。其具有四种动作模式:正转、反转、刹车、悬空。从控制器模块处接受的2位控制信号将决定电机驱动处于何种模式之下。
控制器模块实现完整的费控功能。其接受三个输入信号:合闸限位开关通断信号、分闸限位开关通断信号、模式选择开关状态信号，经过一定的控制逻辑处理后，输出两控制信号:电机状态控制信号(2位)、功率供电通断控制信号，实现合闸和分闸等动作，从而实现费控断路器既定的功能。
费控信号接收模块实现将0V/220V交流的欠费信号转换为控制器能安全接收并辨识的低压逻辑电平。该部分电路还具有干扰抑制功能，能将快变脉冲等干扰信号滤除，保证输出逻辑电平的稳定性。
图2为本发明中功率供电模块的内部示意图。整个模块由半波整流器(D1、R1)、光控可控硅(U1)、输入滤波器(C1)、高边悬浮的Buck控制器(U2、D2)、输出滤波器(L1、C2)组成。
功率供电模块首先利用整流二极管D1将输入的交流市电转换为单极性的脉动电压。其中R1为限流电阻，抑制上电瞬间对滤波电容C1充电产生的浪涌大电流。该脉动电压被U1所控制，当U1接收到导通控制信号后，便会触发内部的可控硅导通，进入低阻状态，将脉动电压接近等幅地传递到C1进行滤波，产生一个带有纹波的高压直流电。Buck控制器是由专用集成电路D3833为核心所搭建成的小型模块，其可以根据输出电压的高低产生合适频率和占空比的方波信号，控制内部的开关晶体管导通与截止，从而将输入的高压直流进行斩波。斩波后的高频脉动电压经过电感L1和电容C2滤波后，即成为12V低纹波的直流电压，作为后级动作电机的电源。
当输入给U1的导通信号取消后，U1内部的可控硅截止，进入高阻状态，隔断了脉动电压的供给。此时该模块进入待机状态，待机电流可小于20uA(AC RMS)。
该模块没有使用隔离的AC/DC变换器，因此无需变压器，整体体积只有约2.1*1.8*0.4cm3。
图3为本发明中线性供电模块的内部示意图。整个模块由半波整流器(D1)、基准源(R1、C2、D3)、输入滤波器(D2、C1)、功耗分担电阻(R2)、降压晶体管(Q1、Q2、Q3)、输出滤波器(C3)组成。
线性供电模块首先利用整流二极管D1将输入的220V交流市电转换为单极性的脉动电压，分两路分别提供给基准源和输入滤波器。基准源的核心是稳压二极管D3，与降压电阻R3一同组成了一个简单的稳压源，能将输出电压控制在6.2V~6.8V之间。电容C2用于降低基准源输出电压的纹波，增加模块输出的稳定性。输入滤波器的核心是电容C1，它与D1组成了一个滤波器将输入的脉动电压平滑化。二极管D2是防倒灌二极管，其作用是阻止电容C1对基准源供电，从而避免待机状态下C1的漏电，从而大大降低了待机电流。Q1~Q3为三个NPN型高压双极型三极管，相互以达林顿组态连接，其基极连接稳压源，集电极连接输入滤波器，实现一个射极跟随器，使输出电压稳定在稳压源电压减去三个结压降的值上，并有较强的输出能力。最后，由电容C3进一步滤除输出电压中的纹波。
当该模块的输出空载时，输出电压将逐渐提升，直到Q1~Q3进入截止状态。此时整个模块只有基准源存在待机电流，且电流大小可由R1控制。通过选取合适的R1，该模块的待机电流可小于100uA(AC RMS)。
图4为本发明的控制程序流程图。下面结合图4，详细说明本发明中的控制流程。
步骤1，当新出厂或是经过长时间掉电，对电路进行上电后首先将对控制器进行一定的初始化过程，具体包括使控制流程回到初始步骤（上电复位），以及配置控制器的各个内部变量（配置初始化）。
步骤2，按照相关国家标准的要求，进行7秒的延时。延时期间控制器无动作。
步骤3，控制器输出相应的控制信号，使功率供电模块导通。此步包含一定的延时以保证功率供电模块已稳定运行并输出12V电压。
步骤4，控制器对费控信号进行判断。若是欠费状态，进行步骤5；若是非欠费状态，进行步骤6。
步骤5，控制器输出相应的控制信号，驱使动作电机正转(分闸动作)。同时一直判断分闸限位开关是否已接通。若否，则继续执行步骤5；若是，则进行步骤9。
步骤6，控制器对模式开关状态进行判断。本发明对开关组的连接进行了优化，模式开关与合闸限位开关是并联关系。因此此步骤等效于判断合闸限位开关是否已接通。若是，则认为是手动模式，执行步骤7；若否，则认为是自动模式，执行步骤8。
步骤7，控制器输出相应的控制信号，驱使动作电机反转(进入合闸允许状态)。此步骤持续2秒的时间，然后执行步骤9。
步骤8，控制器输出相应的控制信号，驱使动作电机正转(合闸动作)。同时一直判断合闸限位开关是否已接通。若否，则继续执行步骤8；若是，则进行步骤9。
步骤9，控制器输出相应的控制信号，驱使动作电机刹车。
步骤10，控制器输出相应的控制信号，使功率供电模块断电。
步骤11，控制器进入休眠状态。此时控制器本身的静态电流小于10uA(DC)，
当费控信号出现改变时，控制器将通过内部的中断系统从休眠中恢复，并执行步骤3。
本发明可以集成在厚度为1mm的PCB板上，总占用有效面积6*5.5 cm2 。实际占用面积小，剩余空间可以用于集成其他保护电路。
Claims (6)
1.一种低成本低待机功耗的费控断路器控制系统，其特征在于，包括电路部分和非电路部分，电路部分包括功率供电模块、线性供电模块、电机驱动模块、控制器模块和费控信号接收模块，非电路部分包括限位开关/模式选择开关、动作电机以及外壳传动结构；
其中，
功率供电模块将220V交流市电转换为12V直流电，同时具有通断控制功能，在弱电信号的控制之下接通或断开电源连接，12V直流电用于驱动动作电机；
线性供电模块将220V交流市电转换为5V直流电，5V直流电用于控制器的供电；
电机驱动模块从控制器处接收控制信号实现对动作电机的控制；
控制器接收限位开关/模式选择开关和费控信号接收模块的信号，控制功率供电模块和电机驱动模块；
费控信号接收电路接收费控信号，转换为控制器能接收并辨识的低压逻辑电平；
所述的功率供电模块包括：
半波整流器，用于将输入模块的市电转换为单极性的脉动电压；
光控可控硅，作为一个悬浮开关器件控制该模块的供电通断，仅在动态下控制降压Buck工作，减小静态电流，同时实现输入强电和控制弱电间的隔离；
输入滤波器，用于将整流后的脉动电压进行平滑，减小输入脉动电压的纹波，使Buck控制器在动态下可靠工作；
Buck控制器，将根据输出电压的高低，通过脉冲宽度调制驱使一个开关器件的导通和关断，从而与后级一同形成一个Buck，
输出滤波器，用于将Buck控制器输出的方波电压进行平滑，以得到小纹波的直流输出。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述的电路部分和限位开关/模式选择开关集成在PCB上。
3.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述的线性供电模块包括：
半波整流器，用于将输入模块的市电转换为单极性的脉动电压；
基准源，用于产生一个6.8V的直流电压作为降压器输出的基准；
输入滤波器，用于将整流后的脉动电压进行平滑；
功耗分担电阻，用于分担降压晶体管的功耗压力；
降压晶体管，用于将平滑后的高电压降压至基准源所给定的电压值；
输出滤波器，用于进一步减小输出电压的纹波，使基准源保持稳定。
4.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述的费控信号接收电路包括：
限流电阻，用于降低输入费控信号的电压，限制费控动作电流；
LED指示灯，用于指示是否为欠费状态；
信号光耦和上拉电阻，用于传输费控信号，并且对输入强电和控制弱电 进行隔离；
滤波电容，用于滤除输出高频杂波。
5.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述的控制器模块包括：
一个单片机，实现费控功能；
限流电阻，用于减小单片机输出电流；
滤波电阻，消除电源信号上含有的高频杂波；
滤波电容，消除电源信号的高频杂波。
6.一种根据权利要求1所述的控制系统的控制方法，其特征在于，
步骤1，对电路进行上电后首先将对控制器进行初始化过程，进行配置初始化；
步骤2，进行7秒的延时，延时期间控制器无动作；
步骤3，控制器输出相应的控制信号，使功率供电模块导通，此步包含延时以保证功率供电模块已稳定运行并输出12V电压；
步骤4，控制器对费控信号进行判断，若是欠费状态，进行步骤5，若是非欠费状态，进行步骤6；
步骤5，控制器输出相应的控制信号，驱使动作电机正转，即分闸动作，同时一直判断分闸限位开关是否已接通，若否，则继续执行步骤5；若是，则进行步骤9；
步骤6，控制器对模式开关状态进行判断，模式开关与合闸限位开关是并联关系，此步骤等效于判断合闸限位开关是否已接通，若是，则认为是手动模式，执行步骤7；若否，则认为是自动模式，执行步骤8；
步骤7，控制器输出相应的控制信号，驱使动作电机反转，即进入合闸允许状态，此步骤持续2秒的时间，然后执行步骤9；
步骤8，控制器输出相应的控制信号，驱使动作电机正转，即合闸动作，同时一直判断合闸限位开关是否已接通，若否，则继续执行步骤8；若是，则进行步骤9；
步骤9，控制器输出相应的控制信号，驱使动作电机刹车；
步骤10，控制器输出相应的控制信号，使功率供电模块断电；
步骤11，控制器进入休眠状态，此时控制器本身的静态电流小于10uA，当费控信号出现改变时，控制器将通过内部的中断系统从休眠中恢复，并执行步骤3。
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