CN110337162B - 基于智能开关的单火线取电系统和方法 - Google Patents

基于智能开关的单火线取电系统和方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种基于智能开关的单火线取电系统和方法，其中该系统包括开关模块，用于通过控制电子开关来实现负载的开启与关闭；开态取电模块，与所述开关模块电连接用于所述电子开关打开时进行取电；关态取电模块，与所述开关模块电连接用于所述电子开关关闭时进行取电；能量采集模块，与所述开态取电模块以及关态取电模块电连接用于实现开态与关态的微弱能量收集及能量存储；状态切换模块，与所述能量收集模块电连接用于实现微电流充电与快速充电模块的切换；负载功耗检测模块，与所述状态切换模块电连接用于控制所述状态切换模块。本发明解决了单火线取电方案因兼容性导致的微亮或微闪以及发热量较大的问题。

Description

基于智能开关的单火线取电系统和方法
技术领域
本发明涉及智能开关电路技术领域，特别是涉及一种基于智能开关的单火线取电系统和方法。
背景技术
目前，主流的单火线取电智能开关都是将智能开关的取电装置串联在灯具等负载中来实现开灯或关灯状态的取电，替代传统的墙体电源开关。具体地，如图1所示，取电后为系统的微控制器或其他通讯电路供电，与智能家居中其他装置通讯。
传统技术中的单火线取电模块的缺点至少包括如下几点：
1、大部分的单火线供电的开关对关态取电的低电流都过大导致负载在半开状态比如灯泡微亮。
2、在轻载的情况下需要增加一个比较大的压降串联负载，而这个大压降可能导致负载不正常工作比如灯泡在闪烁。
3、在高负载的情况下，压降的线路会产生很高的损耗导致元器件升温，这个升温限制了最高负载的规格。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种可以解决兼容性较差出现的微亮或微闪问题以及发热量较大问题的基于智能开关的单火线取电系统和方法。
一种基于智能开关的单火线取电系统，所述基于智能开关的单火线取电系统包括：
开关模块，所述开关模块用于通过控制电子开关来实现负载的开启与关闭；
开态取电模块，所述开态取电模块与所述开关模块电连接用于所述电子开关打开时进行取电；
关态取电模块，所述关态取电模块与所述开关模块电连接用于所述电子开关关闭时进行取电；
能量采集模块，所述能量采集模块分别与所述开态取电模块以及关态取电模块电连接用于实现开态与关态的微弱能量收集及能量存储；
状态切换模块，所述状态切换模块与所述能量收集模块电连接用于实现微电流充电与快速充电模块的切换；
负载功耗检测模块，所述负载功耗检测模块与所述状态切换模块电连接用于控制所述状态切换模块。
在其中一个实施例中，所述系统还包括储能模块，所述储能模块用于为所述系统中的各个模块进行供电；
其中，所述能量采集模块与所述储能模块电连接，通过对储能模块负载功耗检测来判断负载是否过大；若负载过大则通过状态切换模块关闭负载且同时重开快速充电模块；若负载不过大则通过储能装置提供负载所需能量。
在其中一个实施例中，所述开关模块包括：第一电子开关和第二电子开关；
所述开关模块还包括控制器，所述控制器用于控制所述第一电子开关和第二电子开关的通断以根据负载大小实现自适应启闭的循环。
在其中一个实施例中，所述关态取电模块包括：限流电阻、第一桥式整流电路以及储能器件。
在其中一个实施例中，所述状态切换模块包括：第三电子开关、第四电子开关以及第五电子开关；
其中，所述第三电子开关、第四电子开关以及第五电子开关分别与所述能量采集模块电连接；所述能量采集模块内部的电压检测，并通过输出信号控制所述第三电子开关和第四电子开关通断实现微电流充电与快速充电模块的切换。
在其中一个实施例中，所述开关模块与所述状态切换模块之间还电连接第二桥式整流电路，所述第二桥式整流电路用于实现全桥整流功能。
在其中一个实施例中，所述储能器件还并联有一齐纳二极管，所述齐纳二极管用于限制储能器件的充电电压。
在其中一个实施例中，所述系统还包括：
电流侦测模块，所述电流侦测模块与所述能量采集模块电连接用于对所述能量采集模块的输出端的电流进行侦测；
MCU模块，所述MCU模块与所述电流侦测模块电连接用于对所述电流侦测模块进行控制。
在其中一个实施例中，所述系统还包括：
RF通信模块，所述RF通信模块与所述MCU模块电连接用于实现与上位机通信；
其中，所述MCU模块根据所述电流侦测模块的电流侦测结果进行分析，并调整RF通信的频次。
一种基于智能开关的单火线取电方法，所述方法应用于如上述任一项所述的基于智能开关的单火线取电系统中包括：
通过开关模块控制电子开关根据负载大小实现自适应启闭的循环；
当所述电子开关打开时通过开态取电模块进行取电；
当所述电子开关关闭时通过关态取电模块进行取电；
通过能量采集模块实现开态与关态的微弱能量收集及能量存储；
通过状态切换模块实现微电流充电与快速充电模块的切换；
通过负载功耗检测模块控制所述状态切换模块。
本发明提供了一种基于智能开关的单火线取电系统和方法，该系统包括开关模块，所述开关模块用于通过控制电子开关来实现负载的开启与关闭；开态取电模块，所述开态取电模块与所述开关模块电连接用于所述电子开关打开时进行取电；关态取电模块，所述关态取电模块与所述开关模块电连接用于所述电子开关关闭时进行取电；能量采集模块，所述能量采集模块分别与所述开态取电模块以及关态取电模块电连接用于实现开态与关态的微弱能量收集及能量存储；状态切换模块，所述状态切换模块与所述能量收集模块电连接用于实现微电流充电与快速充电模块的切换；负载功耗检测模块，所述负载功耗检测模块与所述状态切换模块电连接用于控制所述状态切换模块。本发明解决了单火线取电方案因兼容性导致的微亮或微闪以及发热量较大的问题，极大的降低了发热量，减小了微量或微闪风险。
附图说明
图1为传统技术中单火线取电模块的模块结构框图；
图2为一个实施例中基于智能开关的单火线取电系统的模块结构框图；
图3为另一个实施例中基于智能开关的单火线取电系统的模块结构框图；
图4为一个实施例中基于智能开关的单火线取电系统开态取电过程的流程示意图；
图5为一个实施例中基于智能开关的单火线取电系统关态取电过程的流程示意图；
图6为一个实施例中基于智能开关的单火线取电系统的整体电路图；
图7为又一个实施例中基于智能开关的单火线取电系统的模块结构框图；
图8为再一个实施例中基于智能开关的单火线取电系统的模块结构框图；
图9为一个实施例中基于智能开关的单火线取电系统的整体构架图；
图10为一个实施例中基于智能开关的单火线取电系统MCU模块工作流程的流程示意图；
图11为一个实施例中基于智能开关的单火线取电方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一电子开关称为第二电子开关，且类似地，可将第二电子开关称为第一电子开关。第一电子开关和第二电子开关两者都是电子开关，但其不是同一电子开关。
目前，主流的单火线取电智能开关都是将智能开关的取电装置串联在灯具等负载中来实现开灯或关灯状态的取电，替代传统的墙体电源开关。如图1所示，取电后为系统的微控制器或其他通讯电路供电，与智能家居中其他装置通讯。本发明主要针对现有单火线取电解决方案兼容性较差会出现微亮或微闪的问题，同时发热量较大的问题，提出了一种改进的单火线取电加储能单元的解决方案。
在一个实施例中，参考图2，提供了一种基于智能开关的单火线取电系统200，该系统包括：
开关模块201，用于通过控制电子开关来实现负载的开启与关闭；
开态取电模块202，开态取电模块202与开关模块201电连接用于电子开关打开时进行取电；
关态取电模块203，关态取电模块203与开关模块201电连接用于电子开关关闭时进行取电；
能量采集模块204，能量采集模块204分别与开态取电模块202以及关态取电模块203电连接用于实现开态与关态的微弱能量收集及能量存储；
状态切换模块205，状态切换模块205与能量收集模块204电连接用于实现微电流充电与快速充电模块的切换；
负载功耗检测模块206，负载功耗检测模块206与状态切换模块205电连接用于控制所述状态切换模块。
具体地，开关模块用于通过控制电子开关来实现负载的开启与关闭，具体地该电子开关可以为可控硅类电子开关。由于整个系统只使用可控硅的漏电流而这个漏电流不会导致灯泡微亮。因为漏电流的能量很低，很难为数字系统供电，所以用能量收集器去收集能量。整个数字系统会根据收集的能量重复上电/关机的周期。因为可控硅的压降很低，负载不会受到影响。在轻载情况下,功耗非常低，所以能量收集器在这个情况也发挥它的作用，收集很低的能量到足够时把数字电路上电。轻载的情况下因为压降很低，所以在线路上消耗的功耗相对低，这样有效地增加负载的上限。
在本实施例中，实现的技术效果如下：
Figure BDA0002043876180000051
在一个实施例中，参考图3，提供了一种基于智能开关的单火线取电系统200，该系统还包括储能模块207，储能模块207用于为系统中的各个模块进行供电；
其中，能量采集模块204与储能模块207电连接，通过对储能模块207负载功耗检测来判断负载是否过大；若负载过大则通过状态切换模块205关闭负载且同时重开快速充电模块；若负载不过大则通过储能装置提供负载所需的能量。
在一个实施例中，开关模块包括：第一电子开关和第二电子开关；
开关模块还包括控制器，控制器用于控制第一电子开关和第二电子开关的通断以根据负载大小实现自适应启闭的循环。
具体地，本实施例中实现了根据负载的大小自适应启闭的循环，假设PH为能量收集器在每一时间单位能收集的能量，PL为负载所在每一时间单位需要的能量，TH为能量收集器在快速收集能量状态的时间，TL为负载需要完成一项工作所需要的时间。
一般情况下，关态时候能量收集器收集的能量很低，所收集到的能量不足以供应负载，简单说就是PL>PH，因此，需要找出常数k让以下条件成立：
PL<k*PH
根据常数k可以得出当以下条件成立时能量收集器收集的能量能足够供应负载：
TH:TL≥k:1
在这个状态下能量收集器能收集的能量k*PH将会高于负载PL。所以，负载将以工作TL，关闭k*TH的间隔循环启闭。另外，储能装置需要能够贮存k*PH的能量,根据电容充放电时功耗的公式P＝C*V[t]2/2,可以得出整个系统需要最小储能装置为：
Cmin≥2*PL/(V[t2]2–V[t1]2)
如图4所示为本实施例中开态取电的工作流程。结合参考完整的电路图图6，首先可控硅打开，然后进入快速充电模式，快速充电模式与微电流充电模式的切换，依赖于energy harvester内部的电压检测，并通过输出Vbat_OK信号控制Q1和Q3通断实现。负载电流过大的判断依赖于Energy harvester对储能单元BT1负载功耗检测。
如图5所示为本实施例中开态取电的工作流程。结合参考完整的电路图图6，首先可控硅打开，然后刚开始进入快速充电模式，使得储能单元电压迅速上升，使得energyharvester迅速进入工作状态，开始微电流蓄电模式。该状态下灯具上漏电流非常低，可以降低灯具微亮的风险。
具体地，该第一电子开关和第二电子开关均为可控硅类开关。
在其中一个实施例中，关态取电模块包括：限流电阻、第一桥式整流电路以及储能器件。
具体地，该储能器件为充电电容。
在其中一个实施例中，状态切换模块包括：第三电子开关、第四电子开关以及第五电子开关；
其中，第三电子开关、第四电子开关以及第五电子开关分别与能量采集模块电连接；能量采集模块内部的电压检测，并通过输出信号控制所述第三电子开关和第四电子开关通断实现微电流充电与快速充电模块的切换。
具体地，该第三电子开关为PMOS管，第四电子开关为PMOS管，第五电子开关为NMOS管。
在其中一个实施例中，开关模块与状态切换模块之间还电连接第二桥式整流电路，第二桥式整流电路用于实现全桥整流功能。
在其中一个实施例中，储能器件还并联有一齐纳二极管，齐纳二极管用于限制储能器件的充电电压。
具体地，结合参考图6，说明如下：
1)图示中的Load单元为灯具或其他负载。
2)图示中controller用于控制Q2Q4的通断来实现负载的开启与关闭。
3)图示中Q2Q4为可控硅类电子开关。
4)图示中D2实现全桥整流的功能。
5)D3为齐纳二极管，用于限制初级电容充电电压。
6)R1D1限制C1充电电流，在实现负载关闭期间实现关态取电功能。
7)C1为系统的临时储电单元。
8)Q1Q3Q5提供能量收集及为电源管理单元的通断提供电源控制，实现微电流充电与快速充电模式切换。
9)Energy harvester单元实现开态与关态的微弱能量收集及能量存储，及电源管理的单元。
10)BT1是储能单元，系统各单元的电源可以从系统的中BT1处获得。
11)电流侦测由MCU配合低功耗Current_sensor外设完成，并以此数据调整工作模式。
12)RF_system用于实现与上位机通信功能。
在本实施例中，实现的技术效果至少包括：
1)整个系统只使用可控硅的漏电流而这个漏电流不会导致灯泡微亮。
2)因为漏电流的能量很低，很难为数字系统供电，所以用能量收集器去收集能量。
3)整个数字系统会根据收集的能量重复上电/关机的周期。
4)因为可控硅的压降很低，负载不会受到影响。
5)在轻载情况下,功耗非常低，所以能量收集器在这个情况也发挥它的作用，收集很低的能量到足够时把数字电路上电。
6)轻载的情况下因为压降很低，所以在线路上消耗的功耗相对低，这样有效地增加负载的上限。
在一个实施例中，参考图7，提供了一种基于智能开关的单火线取电系统200，该系统还包括：
电流侦测模块208，电流侦测模块208与能量采集模块204电连接用于对能量采集模块204的输出端的电流进行侦测；
MCU模块209，MCU模块209与电流侦测模块208电连接用于对电流侦测模块208进行控制。
在一个实施例中，参考图8，提供了一种基于智能开关的单火线取电系统200，该系统还包括：
RF通信模块210，RF通信模块210与MCU模块209电连接用于实现与上位机通信；
其中，MCU模块209根据电流侦测模块208的电流侦测结果进行分析，并调整RF通信的频次。
具体的，参考图9为一个实施例中完整的系统构架示意图，包括：供电部分、电流侦测模块、RF系统以及MCU，其中供电部分中还包括：电子开关、开态取电以及关态取电。
如图10所示为MCU模块的工作流程图，首先，启动初始化。接着，在MCU初始化完成后进入低功耗休眠模式，并定时唤醒进行输出电流侦测和RF通信，根据侦测电流的值进行分析，并调整RF通信的频次。
在一个实施例中，如图11所示，提供了一种基于智能开关的单火线取电方法，该方法应用于如上述任一项实施例中的基于智能开关的单火线取电系统中包括：
步骤1102，通过开关模块控制电子开关根据负载大小实现自适应启闭的循环；
步骤1104，当电子开关打开时通过开态取电模块进行取电；
步骤1106，当电子开关关闭时通过关态取电模块进行取电；
步骤1108，通过能量采集模块实现开态与关态的微弱能量收集及能量存储；
步骤1110，通过状态切换模块实现微电流充电与快速充电模块的切换；
步骤1112，通过负载功耗检测模块控制状态切换模块。
关于基于智能开关的单火线取电方法的具体限定可以参见上文中对于基于智能开关的单火线取电系统的限定，在此不再赘述。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种基于智能开关的单火线取电系统，其特征在于，所述基于智能开关的单火线取电系统包括：
开关模块，所述开关模块用于通过控制电子开关来实现负载的开启与关闭；
开态取电模块，所述开态取电模块与所述开关模块电连接用于所述电子开关打开时进行取电；
关态取电模块，所述关态取电模块与所述开关模块电连接用于所述电子开关关闭时进行取电；
能量采集模块，所述能量采集模块分别与所述开态取电模块以及关态取电模块电连接用于实现开态与关态的微弱能量收集及能量存储；
状态切换模块，所述状态切换模块与所述能量采集模块电连接用于实现微电流充电与快速充电模块的切换；
负载功耗检测模块，所述负载功耗检测模块与所述状态切换模块电连接用于控制所述状态切换模块；
所述系统还包括储能模块，所述储能模块用于为所述系统中的各个模块进行供电；其中，所述能量采集模块与所述储能模块电连接，通过对储能模块负载功耗检测来判断负载是否过大；若负载过大则通过状态切换模块关闭负载且同时重开快速充电模块；若负载不过大则通过储能装置提供负载所需的能量；
所述开关模块包括：第一电子开关和第二电子开关；所述开关模块还包括控制器，所述控制器用于控制所述第一电子开关和第二电子开关的通断以根据负载大小实现自适应启闭的循环。
2.根据权利要求1所述的基于智能开关的单火线取电系统，其特征在于，所述关态取电模块包括：限流电阻、第一桥式整流电路以及储能器件。
3.根据权利要求2所述的基于智能开关的单火线取电系统，其特征在于，所述状态切换模块包括：第三电子开关、第四电子开关以及第五电子开关；
其中，所述第三电子开关、第四电子开关以及第五电子开关分别与所述能量采集模块电连接；所述能量采集模块内部的电压检测，并通过输出信号控制所述第三电子开关和第四电子开关通断实现微电流充电与快速充电模块的切换。
4.根据权利要求3所述的基于智能开关的单火线取电系统，其特征在于，所述开关模块与所述状态切换模块之间还电连接第二桥式整流电路，所述第二桥式整流电路用于实现全桥整流功能。
5.根据权利要求4所述的基于智能开关的单火线取电系统，其特征在于，所述储能器件还并联有一齐纳二极管，所述齐纳二极管用于限制储能器件的充电电压。
6.根据权利要求1-5任一项所述的基于智能开关的单火线取电系统，其特征在于，所述系统还包括：
电流侦测模块，所述电流侦测模块与所述能量采集模块电连接用于对所述能量采集模块的输出端的电流进行侦测；
MCU模块，所述MCU模块与所述电流侦测模块电连接用于对所述电流侦测模块进行控制。
7.根据权利要求6所述的基于智能开关的单火线取电系统，其特征在于，所述系统还包括：
RF通信模块，所述RF通信模块与所述MCU模块电连接用于实现与上位机通信；
其中，所述MCU模块根据所述电流侦测模块的电流侦测结果进行分析，并调整RF通信的频次。
8.一种基于智能开关的单火线取电方法，其特征在于，所述方法应用于如权利要求1-7任一项所述的基于智能开关的单火线取电系统中包括：
通过开关模块控制电子开关根据负载大小实现自适应启闭的循环；
当所述电子开关打开时通过开态取电模块进行取电；
当所述电子开关关闭时通过关态取电模块进行取电；
通过能量采集模块实现开态与关态的微弱能量收集及能量存储；
通过状态切换模块实现微电流充电与快速充电模块的切换；
通过负载功耗检测模块控制所述状态切换模块。
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