CN111464161B - 一种单火线取电开关供电系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单火线取电开关供电系统及控制方法。单火线取电开关供电系统包括第一取电开关供电子系统和第二取电开关供电子系统，每个取电开关供电子系统均包括电源模块和控制模块，采用单火线供电方式，不需要对墙体进行重新改造，也不需要引入零线，只需在开关盒处换用第一取电开关供电子系统，用电设备连接在第二取电开关供电子系统的直流负载供电端子上即可取电；两个取电开关供电子系统的取电电压采用相角控制方法控制得到，能够有效避免因单火线开关控制而对不同类型负载产生的影响以及电压波形发生畸变，提高了动作可靠性，并且电源模块和控制模块自身的微弱电阻带来的损耗低，使得单火线取电开关供电系统具有较高效率。

Description

一种单火线取电开关供电系统及控制方法

技术领域

本发明涉及智能开关技术领域，特别是涉及一种单火线取电开关供电系统及控制方法。

背景技术

目前的电源技术已相当成熟，然而在一些旧的住宅区，老式的机械开关盒中只有一根火线流入，必须引入一根零线才能获得电能，位于房间各处的温湿度传感器或者烟雾报警器等产品的供电采用接出明线的方式既不美观更不安全。

近年来，单火线取电技术得到了发展，可以很好地应对上述场景，但是市面上的单火线开关存在着几个普遍的问题：第一，采用单火线开关控制灯以后，在灯关闭的情况下，灯会出现闪烁或者低亮，特别是节能灯，这种开关不能使负载正常工作；第二，利用RC阻容降压配合三极管进行单火线取电，效率低，电能很大一部分消耗在了开关的阻抗上面，损耗比较大；第三，由于市场上多数采用MCU(MicroControllerUnit，微控制单元)进行控制，而单火线取电会造成电网出现多次谐波畸变，干扰MCU的正常工作，开关容易出现失控状态。

发明内容

本发明的目的是提供一种单火线取电开关供电系统及控制方法，具有能够避免因单火线开关控制而对不同类型负载产生的影响、损耗低、避免电压波形发生畸变提高动作可靠性的优点。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种单火线取电开关供电系统，包括：

第一取电开关供电子系统和第二取电开关供电子系统；

所述第一取电开关供电子系统的火线端与交流电源火线连接，所述第一取电开关供电子系统的负载端与所述第二取电开关供电子系统的火线端连接，所述第二取电开关供电子系统的零线端与交流电源零线连接；用电设备连接在所述第二取电开关供电子系统的直流负载供电端子上；

所述第一取电开关供电子系统，具体包括：

第一电源模块和第一控制模块；

所述第一电源模块和所述第一控制模块连接；所述第一电源模块用于对所述第一控制模块供电；所述第一控制模块用于控制第一电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块进行取电操作；所述第一电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块的火线端与交流电源火线连接；

所述第二取电开关供电子系统，具体包括：

第二电源模块、第二控制模块和可控开关；

所述第二电源模块分别与所述第二控制模块和所述可控开关连接；所述第二电源模块用于对所述第二控制模块和所述可控开关供电；所述第二控制模块用于控制第二电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块进行取电操作，所述第二控制模块还用于与所述第一控制模块进行通信；所述可控开关与所述第二控制模块连接，所述可控开关用于根据所述第二控制模块接收的所述第一控制模块发送的用电设备通断信号控制所述用电设备通断；所述第二电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块的零线端与交流电源零线连接，所述第二电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块的火线端与所述第一电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块的负载端连接；

采用相角控制方法控制所述第一电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块的取电电压以及所述第二电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块的取电电压，从而使所述用电设备得到电能。

可选的，

所述第一控制模块，具体包括：

第一控制器、第一通信模块和触摸开关；

第一电源模块的稳压子模块与所述第一电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块连接，所述第一电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块用于向所述第一电源模块的稳压子模块提供电能；所述第一电源模块的稳压子模块与所述第一控制器连接；所述触摸开关与所述第一控制器连接，所述触摸开关用于向所述第一控制器发送触发信号，所述第一控制器根据所述触发信号控制用电设备的通断；所述第一通信模块与所述第一控制器连接，所述第一控制器用于控制所述第一通信模块进行通信；所述第一控制器与所述第一电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块连接，所述第一控制器用于控制所述第一电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块的取电电压；

所述第二控制模块，具体包括：

第二控制器和第二通信模块；

第二电源模块的稳压子模块与所述第二电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块连接，所述第二电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块用于向所述第二电源模块的稳压子模块提供电能；所述第二电源模块的稳压子模块与所述第二控制器连接；所述可控开关与所述第二控制器连接，所述第二通信模块与所述第二控制器连接，所述可控开关用于根据所述第二通信模块接收的所述第一通信模块发送的用电设备通断信号控制用电设备通断；所述第二控制器与所述第二电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块连接，所述第二控制器用于控制所述第二电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块的取电电压；所述第二电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块与所述可控开关连接，向所述可控开关提供电能。

可选的，

所述第一电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块，具体包括：

第一取电电路、滤波缓冲电路、开关型稳压电路、直流负载供电输出电路和三端输出反激式直流电源；

所述第一取电电路第一入口端与所述交流电源火线连接，所述第一取电电路第二入口端与所述第二取电开关供电子系统的火线端连接，所述第一取电电路用于将交流电转变为直流电；所述第一取电电路出口端与所述滤波缓冲电路入口端连接，所述滤波缓冲电路用于调整直流电的幅值；所述滤波缓冲电路出口端与所述开关型稳压电路入口端连接，所述开关型稳压电路用于平稳的直流恒压输出；所述开关型稳压电路的出口端与所述直流负载供电输出电路入口端连接，所述直流负载供电输出电路用于向连接在直流负载供电输出电路出口端的负载提供电能；

所述三端输出反激式直流电源的第一入口端与所述交流电源火线连接，第二入口端与所述第二取电开关供电子系统的火线端连接，第一供电输出端与所述第一取电电路连接，第二供电输出端与所述开关型稳压电路连接，第三输出端与所述第一电源模块的稳压子模块连接；所述三端输出反激式直流电源用于向所述第一取电电路、所述开关型稳压电路和所述第一电源模块的稳压子模块供电；

所述第二电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块，具体包括：

第二取电电路和四端输出反激式直流电源；

所述第二取电电路第一端与所述第一取电电路第二入口端连接，所述第二取电电路第二端与所述交流电源零线连接；

所述四端输出反激式直流电源第一入口端与所述第一取电电路第二入口端连接，第二入口端与所述交流电源零线连接，第一供电输出端与所述第二取电电路连接，第二供电输出端与所述第二电源模块的稳压子模块连接，第三供电输出端与所述可控开关连接，第四供电输出端与接入所述第二电源模块的负载连接；所述四端输出反激式直流电源用于向所述第二取电电路、所述第二电源模块的稳压子模块、所述可控开关和接入所述第二电源模块的负载供电。

可选的，

所述第一取电电路，具体包括：

第一桥式整流桥、第一MOS管和第一PWM驱动单元；

所述第一桥式整流桥的第一入口端与所述交流电源火线连接，所述第一桥式整流桥的第二入口端与所述第二取电电路第一端连接；所述第一MOS管连接在所述第一桥式整流桥的两个出口端上，所述第一PWM驱动单元驱动端与所述第一MOS管连接，所述第一PWM驱动单元输入端与所述第一控制器连接，所述第一PWM驱动单元用于根据所述第一控制器的控制信号驱动所述第一MOS管；

所述滤波缓冲电路，具体包括：

第一电感、滤波缓冲电路的二极管和第一电容；

所述第一电感一端与所述第一MOS管一端连接，所述第一电感另一端与所述滤波缓冲电路的二极管导通端连接，所述滤波缓冲电路的二极管截止端与所述第一电容一端连接，所述第一电容另一端与所述第一MOS管另一端连接；

所述开关型稳压电路，具体包括：

第二MOS管、第二电感、第二电容和开关型稳压电路的二极管；

所述第二MOS管一端与所述滤波缓冲电路的二极管截止端连接；所述第二MOS管另一端、所述第二电感一端与所述开关型稳压电路的二极管截止端连接；所述第二电感另一端与所述第二电容一端连接；所述第二电容另一端、所述开关型稳压电路的二极管导通端与所述第一电容另一端连接；

所述直流负载供电输出电路，具体包括：

第一阻抗，所述第一阻抗与所述第二电容并联，连接在直流负载供电输出电路出口端的负载与所述第一阻抗并联；

可选的，

所述第二取电电路，具体包括：

第二桥式整流桥、第二取电电路MOS管和第二PWM驱动单元；

所述第二桥式整流桥的第一入口端与所述第一桥式整流桥的第二入口端连接，所述第二桥式整流桥的第二入口端与所述交流电源零线连接；所述第二取电电路MOS管连接在所述第二桥式整流桥的两个出口端上，所述第二PWM驱动单元驱动端与所述第二取电电路MOS管连接，所述第二PWM驱动单元输入端与所述第二控制器连接，所述第二PWM驱动单元用于根据所述第二控制器的控制信号驱动所述第二取电电路MOS管；

所述可控开关，具体包括：

双向可控硅和双向触发电路单元；

所述双向可控硅一端与所述第二桥式整流桥的第一入口端连接，所述双向可控硅另一端与直流负载供电端子第一端子连接，直流负载供电端子第二端子与所述交流电源零线连接，所述直流负载供电端子第一端子和第二端子用于连接所述供电设备；所述双向触发电路单元供电端与所述四端输出反激式直流电源第三供电输出端连接，所述双向触发电路单元驱动端与所述双向可控硅的控制端连接。

可选的，

所述第一取电开关供电子系统，还包括：

线路保护开关；

所述线路保护开关一端与所述交流电源火线连接，所述线路保护开关另一端与所述第一桥式整流桥的第一入口端连接；

所述三端输出反激式直流电源第一供电输出端向所述第一取电电路提供12V电压，第二供电输出端向所述开关型稳压电路提供12V电压，第三供电输出端向所述第一电源模块的稳压子模块提供5V电压；

所述直流负载供电输出电路向连接在直流负载供电输出电路出口端的负载提供5V直流电压；

所述四端输出反激式直流电源第一供电输出端向所述第二取电电路提供12V电压，第二供电输出端向所述第二电源模块的稳压子模块提供5V电压，第三供电输出端向所述可控开关提供12V电压，第四供电输出端向接入所述第二电源模块的负载提供5V电压。

本发明还提供一种单火线取电开关供电控制方法，应用上述的单火线取电开关供电系统，所述方法，包括：

获取周期采样点个数和第一电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块的电路参数；所述周期采样点个数为半个市电周期的采样点总数；

根据所述周期采样点个数和所述电路参数采用相角控制方法确定第一采样点个数和第二采样点个数；

根据所述第一采样点个数生成第一相角控制信号，根据所述第二采样点个数生成第二相角控制信号；

根据所述第一相角控制信号控制第一电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块的取电电压，根据所述第二相角控制信号控制第二电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块的取电电压，用电设备得到电能。

可选的，所述根据所述周期采样点个数和所述电路参数采用相角控制方法确定第一采样点个数和第二采样点个数，具体包括：

初始化第一采样点个数；

根据所述周期采样点个数和所述第一采样点个数确定第一采样点的相位值；

根据所述第一采样点的相位值确定第一取电电路电压有效值和第一MOS管关断时第一取电电路电压；

判断所述第一取电电路电压有效值是否大于第一MOS管关断时第一取电电路电压；若大于，则根据所述电路参数确定第一取电电路输入端理论电压值；若小于或等于，则将所述第一采样点个数加1，并返回步骤“根据所述周期采样点个数和所述第一采样点个数确定第一采样点的相位值”；

判断所述第一MOS管关断时第一取电电路电压是否大于或等于所述第一取电电路输入端理论电压值；若小于，则将第一采样点个数加1，并返回步骤“根据所述周期采样点个数和所述第一采样点个数确定第一采样点的相位值”；若大于或等于，输出第一采样点个数；

根据第一MOS管与第二取电电路MOS管之间的死区时间确定与所述死区时间对应的采样点个数；

将所述第一采样点个数与所述与死区时间对应的采样点个数之和确定为第二采样点个数。

可选的，根据所述第一采样点个数生成第一相角控制信号，根据所述第二采样点个数生成第二相角控制信号，具体包括：

获取第一PWM空数组和第二PWM空数组；

将所述第一PWM空数组中前N个元素值置1，后P-N个元素置0，得到第一相角控制信号；其中，N取值与所述第一采样点个数相同，P取值与所述周期采样点个数相同；

将所述第二PWM空数组中前S个元素值置0，后P-S个元素置1，得到第二相角控制信号；其中，S取值与所述第二采样点个数相同。

可选的，

所述第一电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块的电路参数包括：第一取电电路参数、滤波缓冲电路参数、开关型稳压电路参数和直流负载供电输出电路参数；所述第一取电电路参数包括第一桥式整流桥中整流二极管压降，所述直流负载供电输出电路参数包括直流负载供电输出电压；

所述根据所述电路参数确定第一取电电路输入端理论电压值，具体包括：

获取所述电路参数和第二桥式整流桥中整流二极管压降；

根据所述开关型稳压电路参数和直流负载供电输出电压确定第二MOS管占空比；

根据所述第二MOS管占空比和所述直流负载供电输出电压确定开关型稳压电路输入电压；

根据所述开关型稳压电路输入电压、所述开关型稳压电路参数和所述滤波缓冲电路参数确定滤波缓冲电路输入电压；

根据所述滤波缓冲电路输入电压、第一桥式整流桥中整流二极管压降和第二桥式整流桥中整流二极管压降确定第一取电电路输入端理论电压值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出了一种单火线取电开关供电系统及控制方法，单火线取电开关供电系统包括第一取电开关供电子系统和第二取电开关供电子系统，每个取电开关供电子系统均包括电源模块和控制模块，采用单火线供电方式，不需要对墙体进行重新改造，也不需要引入零线，只需在开关盒处换用第一取电开关供电子系统，用电设备连接在第二取电开关供电子系统的直流负载供电端子上即可取电；两个取电开关供电子系统的取电电压采用相角控制方法控制得到，能够有效避免因单火线开关控制而对不同类型负载产生的影响以及电压波形发生畸变，提高了动作可靠性，并且电源模块和控制模块自身的微弱电阻带来的损耗低，使得单火线取电开关供电系统具有较高效率。

此外，单火线取电开关供电系统向连接在第二取电开关供电子系统的直流负载供电端子上的用电设备提供电能外，还能够通过第一取电开关供电子系统中的直流负载供电输出电路向连接在直流负载供电输出电路出口端的负载提供5V直流电压，并能够通过第二取电开关供电子系统中的四端输出反激式直流电源第四供电输出端向接入第二电源模块的负载提供5V电压，为小夜灯、家用烟雾报警器、火灾报警器、红外遥控的灯具、温湿度传感器等满足供电接口负载供电。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中单火线取电主框图；

图2为本发明实施例中第一取电开关供电子系统框图；

图3为本发明实施例中第二取电开关供电子系统框图；

图4为本发明实施例中第一电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块电路原理图；

图5为本发明实施例中第二电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块电路原理图；

图6为本发明实施例中系统电路拓扑图；

图7为本发明实施例中控制角a,b的寻优流程图。

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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种单火线取电开关供电系统及控制方法，具有能够避免因单火线开关控制而对不同类型负载产生的影响、损耗低、避免电压波形发生畸变提高动作可靠性的优点。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例

图1为本发明实施例中单火线取电主框图。如图1所示，一种单火线取电开关供电系统，包括：第一取电开关供电子系统(A模块)和第二取电开关供电子系统(B模块)。

A模块安装在墙壁上，代替传统的开关盒设计，不需要破坏墙体，同时可以使用智能开关进行控制。A模块有四个接线口，第一取电开关供电子系统的火线端A+、第一取电开关供电子系统的负载端A-、直流负载供电输出电路出口端A1+与A1-。A+接原来机械开关的火线端，A-接原来机械开关的负载端，A1+与A1-为外接直流负载供电端子，能够提供(5V，100mA)的电能。

B模块有六个接线口，第二取电开关供电子系统的火线端B+、第二取电开关供电子系统的零线端B-、四端输出反激式直流电源第四供电输出端B1+与B1-、第二取电开关供电子系统的直流负载供电端子B2+与B2-。B+接原负载火线端子，B-接原负载零线端子，B1+与B1-为外接直流负载供电端子，能够提供(5V，100mA)的电能，用电设备(负载或照明设备)直接接到B2+和B2-即可。A模块与B模块通过火线连接A-和B+，系统形成完整的回路，同时还通过无线模块进行通信，本发明的单火线取电开关供电系统结构简单，便于安装。

图2为本发明实施例中第一取电开关供电子系统框图。如图2所示，第一取电开关供电子系统1，具体包括：第一电源模块11、第一控制模块12和线路保护开关13。第一电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块为主要的取电电路，火线接A+端子，经线路保护开关CB1流入，A-端子接原来通向负载端的线，(由于家用电为220V交流电，故模块没有正负极，“A+”，“A-”仅用来作为端子标记，不表示正负极)。第一电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块受控制模块发出的控制信号1的控制，同时可以为控制模块提供5V的直流电能。

第一电源模块11和第一控制模块12连接；第一电源模块11用于对第一控制模块12供电；第一控制模块12用于控制第一电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块111进行取电操作；第一电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块111的火线端与交流电源火线连接；线路保护开关13一端与交流电源火线连接，线路保护开关13另一端与第一电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块111连接。

模块11为第一电源模块，是单火线取电的主要部件，不仅为A模块的第一控制模块12提供供电需要，而且还能通过A1+与A1-端口对外供电，第一电源模块11包括第一电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块111和第一电源模块的稳压子模块112两部分。模块111是A模块最基本的电路结构，模块112为稳压模块，由于MCU控制芯片的供电有特殊要求，故需要再提供一级稳压模块来保证MCU控制器的正常工作。

模块12为第一控制模块，具体包括：第一控制器121、第一通信模块122和触摸开关123。第一电源模块的稳压子模块112与第一电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块111连接，第一电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块111用于向第一电源模块的稳压子模块112提供电能；第一电源模块的稳压子模块112与第一控制器121连接；触摸开关123与第一控制器121连接，触摸开关123用于向第一控制器121发送触发信号，第一控制器121根据触发信号控制用电设备的通断；第一通信模块122与第一控制器121连接，第一控制器121用于控制第一通信模块122进行通信；第一控制器121与第一电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块111连接，第一控制器121用于控制第一电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块111的取电电压。

其中，第一控制器121为MCU控制器，A模块中的MCU控制器在整个系统中作为主控制器，所有有关取电的控制命令均由此发起，通过串口与第一通信模块122相连，进行数据的交换以及命令的传递(包括时延测量时命令包的收发；控制B模块中V4的控制信号的发送，用于同步触发；以及触摸开关给MCU的控制信号的发送，用于控制B模块那端灯的开通与关断)。第一通信模块122为无线通信模块ZigBee，A模块中的无线通信模块ZigBee在整个系统无线通信中充当着协调器的角色，通过无线通信的方式将主控制器的命令发送给B模块中的从控制器221，进而配合主控制器工作。触摸开关123通过向MCU控制器121发送触发信号来控制负载(B2+与B2-之间连接的用电设备)的通断，表现形式为对IO口输入高低电平。

模块13为线路保护开关，A模块保留机械刀开关的功能，串接在最前面的电路，一方面保护电路和人身安全，另一方面在长期不用的情况下，断开电路，实现零损耗。

图3为本发明实施例中第二取电开关供电子系统框图。如图3所示，第二取电开关供电子系统2，具体包括：第二电源模块21、第二控制模块22和可控开关23。第二电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块为主要的取电电路，由开关处引入的火线接B+端子，从而进入单火线取电电路及供电输出模块，B-端子接原来的零线，(由于家用电为220V交流电，故模块没有正负极，“B+”，“B-”仅用来作为端子标记，不表示正负极)。第二电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块受控制模块发出的控制信号1的控制，同时可以为控制模块提供5V的直流电能。

第二电源模块21分别与第二控制模块22和可控开关23连接；第二电源模块21用于对第二控制模块22和可控开关23供电；第二控制模块22用于控制第二电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块211进行取电操作，第二控制模块22还用于与第一控制模块12进行通信；可控开关23与第二控制模块22连接，可控开关23用于根据第二控制模块22接收的第一控制模块12发送的用电设备通断信号控制用电设备通断；第二电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块211的零线端B-与交流电源零线连接，第二电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块211的火线端B+与第一电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块111的负载端A-连接。

模块21为第二电源模块，是单火线取电的主要部件，不仅为B模块提供供电需要，而且还能通过B1+与B1-端口对外供电。第二电源模块，具体包括：第二控制器221和第二通信模块222。第二电源模块的稳压子模块212与第二电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块211连接，第二电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块211用于向第二电源模块的稳压子模块212提供电能；第二电源模块的稳压子模块212与第二控制器221连接；可控开关23与第二控制器221连接，第二通信模块222与第二控制器221连接，可控开关23用于根据第二通信模块222接收的第一通信模块122发送的用电设备通断信号控制用电设备通断；第二控制器221与第二电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块211连接，第二控制器221用于控制第二电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块211的取电电压；第二电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块211与可控开关23连接，向可控开关23提供电能。

模块211为单火线取电电路及供电输出子模块，这是B模块最基本的电路结构，模块212为稳压子模块，由于MCU控制芯片的供电有特殊要求，故需要再提供一级稳压模块来保证MCU控制器的正常工作。

模块22为第二控制模块，包括第二控制器221和第二通信模块222，其中模块221为MCU控制器，B模块中的MCU控制器在整个系统中作为从控制器，接受主控制器发来的命令，通过串口与模块222相连，进行数据的交换以及命令的传递，模块222为无线通信模块ZigBee。B模块中的无线通信模块ZigBee在整个系统无线通信中充当着终端节点的角色，通过无线通信的方式将从控制器与主控制器进行连接，从而使从控制器执行主控制器下放的命令。

模块23为可控开关，作为负载处的开关，采用零机械式开通与关断，通过无线通信的方式将A模块中的控制命令传递给从控制器，生成控制信号2来控制负载的通断。

图4为本发明实施例中第一电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块电路原理图。如图4所示，第一电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块111，具体包括：并联的模块1111和模块1112，共同通过A模块外部的供电来工作。

模块1111包括四个部分，分别是第一取电电路11111、滤波缓冲电路11112、开关型稳压电路11113以及直流负载供电输出电路11114，按照电路前后级顺序从左往右依次排开。

第一取电电路11111第一入口端与交流电源火线连接，第一取电电路11111第二入口端与第二取电开关供电子系统的火线端连接(即第一取电电路两个入口端连接A+和A-)，第一取电电路11111用于将交流电转变为直流电；第一取电电路11111出口端与滤波缓冲电路11112入口端连接，滤波缓冲电路11112用于调整直流电的幅值；滤波缓冲电路11112出口端与开关型稳压电路11113入口端连接，开关型稳压电路11113用于平稳的直流恒压输出；开关型稳压电路11113的出口端与直流负载供电输出电路11114入口端连接，直流负载供电输出电路11114用于向连接在直流负载供电输出电路出口端(即A1+和A1-)的负载提供电能。

模块11111为第一取电电路，是本发明中最核心的一个电路，外部供电经取电电路以后变换为直流电，实质上在这里已经得到可以满足要求的电能供给。

模块11112为滤波缓冲电路，因为从第一取电电路11111得到的直流电不是平稳的电能，而是幅值较大的尖峰脉冲式直流电，因此需要滤波缓冲电路来将脉冲拉平，变为幅值变化不大的直流电，供后级电路使用。

模块11113为开关型稳压电路，要得到理想的输出电能，稳压电路必不可少，选用开关电源可以在效率上得到大大提高，同时损耗也比较小，同时在开关电源内部的IC芯片控制下，通过电压负反馈，进行PI控制，得到平稳的直流恒压输出，纹波小。

模块11114为直流负载供电输出电路，这个模块前级接模块11113，作为A模块的外接输出，两个接线端子对应A模块的A1+和A1-，(这里“+”，“-”表示电源的正负极，同时在图4中内部电流的方向已经用箭头表明)，为负载提供5V/100mA的电能，同时可以通过内部机制进行可控范围内的调节，因此本发明可以制作成多种型号供电输出端。

模块1112为三端输出反激式直流电源，该模块是A模块工作的动力电池。模块1112的输入取自和模块1111同样的外部交流电，在开关电源内部的IC芯片控制下，通过电压负反馈，进行PI控制，得到平稳的直流恒压输出，纹波小，模块1112能够提供不同电平的三个直流电输出端口，为负载供电，本发明中模块1112提供5V的直流给控制模块供电，主要是为MCU和无线通信模块供电；同时模块1112还可以提供两个12V直流电输出端口，主要是为模块1111中开关管的驱动电路供电。

三端输出反激式直流电源1112的第一入口端与交流电源火线连接，第二入口端与第二取电开关供电子系统的火线端连接，第一供电输出端与第一取电电路11111连接，第二供电输出端与开关型稳压电路11113连接，第三输出端与第一电源模块的稳压子模块212连接；三端输出反激式直流电源用于向第一取电电路11111、开关型稳压电路11113和第一电源模块的稳压子模块212供电。

图5为本发明实施例中第二电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块电路原理图。如图5所示，第二电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块211，具体包括：并联的模块2111和模块2112，共同通过B模块外部的供电来工作。模块2111为第二取电电路，模块2112为四端输出反激式直流电源。

第二取电电路2111第一端与第一取电电路11111第二入口端连接，第二取电电路2111第二端与交流电源零线连接(即第二取电电路2111的两端口分别连接B+和B-)。模块2111是本发明中最核心的一个电路，外部供电经图5最左侧的两个输入线(即B模块外部的两个输入端子“B+”和“B-”)进入取电电路以后变换为直流电，实质上在这里已经得到可以满足要求的电能供给，B模块中的取电电路与A模块中的取电电路共同配合，实现系统各部分的功能需求，使系统稳定运行。

四端输出反激式直流电源2112第一入口端与第一取电电路11111第二入口端连接，四端输出反激式直流电源2112第二入口端与交流电源零线连接，四端输出反激式直流电源2112第一供电输出端与第二取电电路2111连接，四端输出反激式直流电源2112第二供电输出端与第二电源模块的稳压子模块212连接，四端输出反激式直流电源2112第三供电输出端与可控开关23连接，四端输出反激式直流电源2112第四供电输出端与接入第二电源模块的负载连接(即B1+和B1-)；四端输出反激式直流电源用于向第二取电电路2111、第二电源模块的稳压子模块212、可控开关23和接入第二电源模块的负载供电。

模块2112为四端输出反激式直流电源，该模块是B模块工作的动力电池。模块2112的输入取自和模块2111同样的外部交流电，在开关电源内部的IC芯片控制下，通过电压负反馈，进行PI控制，得到平稳的直流恒压输出，纹波小，模块2112可以提供不同电平的四个直流电输出端口，为负载供电，模块2112提供两个5V的直流输出端口，1#给控制模块供电，主要是为MCU和无线通信模块供电，另一个可以对外提供5V/100mA的电能，实际上就是B模块的两个输出端子“B1+”和“B1-”(直流电流的方向如图5所示箭头的方向)；同时模块2112还可以提供两个12V直流电输出端口，1#是为模块2111中开关管的驱动电路供电，2#是为可控开关的触发电路供电。

图6为本发明实施例中系统电路拓扑图。如图6所示，

第一取电电路11111，具体包括：第一桥式整流桥(包括四个二极管，分别为VD1、VD2、VD3、VD4)、第一MOS管V1和第一PWM驱动单元。

第一桥式整流桥的第一入口端与交流电源火线连接，第一桥式整流桥的第二入口端与第二取电电路第一端连接；第一MOS管V1连接在第一桥式整流桥的两个出口端上，第一PWM驱动单元驱动端与第一MOS管V1连接，第一PWM驱动单元输入端与第一控制器连接，第一PWM驱动单元用于根据第一控制器的控制信号驱动第一MOS管V1。线路保护开关CB1一端与交流电源火线连接，线路保护开关另一端与第一桥式整流桥的第一入口端连接.

滤波缓冲电路11112，具体包括：第一电感L1、滤波缓冲电路的二极管VD5和第一电容C1。第一电感L1一端与第一MOS管V1一端连接，第一电感L1另一端与滤波缓冲电路的二极管VD5导通端连接，滤波缓冲电路的二极管VD5截止端与第一电容C1一端连接，第一电容C1另一端与第一MOS管V1另一端连接。

开关型稳压电路11113，具体包括：第二MOS管V2、第二电感L2、第二电容C2和开关型稳压电路的二极管VD6。第二MOS管V2一端与滤波缓冲电路的二极管VD5截止端连接；第二MOS管V2另一端、第二电感L2一端与开关型稳压电路的二极管VD6截止端连接；第二电感L2另一端与第二电容C2一端连接；第二电容C2另一端、开关型稳压电路的二极管VD6导通端与第一电容C1另一端连接。

直流负载供电输出电路11114，具体包括：第一阻抗Z1。第一阻抗Z1与第二电容C2并联，连接在直流负载供电输出电路出口端(A1+和A1-)的负载与第一阻抗Z1并联。

第二取电电路2111，具体包括：第二桥式整流桥(包括四个二极管，分别为VD14、VD15、VD16、VD17)、第二取电电路MOS管V4和第二PWM驱动单元。第二桥式整流桥的第一入口端与第一桥式整流桥的第二入口端连接(A-连接B+)，第二桥式整流桥的第二入口端与交流电源零线连接；第二取电电路MOS管V4连接在第二桥式整流桥的两个出口端上，第二PWM驱动单元驱动端与第二取电电路MOS管V4连接，第二PWM驱动单元输入端与第二控制器连接，第二PWM驱动单元用于根据第二控制器的控制信号驱动第二取电电路MOS管V4。

可控开关23，具体包括：双向可控硅VT和双向触发电路单元(图6中以触发电路模块表示)。双向可控硅VT一端与第二桥式整流桥的第一入口端B+连接，双向可控硅VT另一端与直流负载供电端子第一端子B2+连接，直流负载供电端子第二端子B2-与交流电源零线连接，直流负载供电端子第一端子B2+和第二端子B2-用于连接供电设备Z10；双向触发电路单元供电端与四端输出反激式直流电源第三供电输出端连接，双向触发电路单元驱动端与双向可控硅的控制端连接。

三端输出反激式直流电源1112第一供电输出端向第一取电电路11111提供12V电压，第二供电输出端向开关型稳压电路11113提供12V电压，第三供电输出端向第一电源模块的稳压子模块112提供5V电压。直流负载供电输出电路向连接在直流负载供电输出电路出口端(A1+和A1-)的负载提供5V直流电压。四端输出反激式直流电源2112第一供电输出端向第二取电电路2111提供12V电压，第二供电输出端向第二电源模块的稳压子模块212提供5V电压，第三供电输出端向可控开关23提供12V电压，第四供电输出端向接入第二电源模块的负载2113提供5V电压。

在A模块中：

模块11111取电电路由四个整流二极管VD1、VD2、VD3、VD4组成的桥式整流桥以及MOS管V1和PWM驱动模块1构成；模块11112滤波缓冲电路包括铁氧体电感L1、二极管VD5和滤波稳压电容C1；模块11113开关型稳压电路包括MOS管V2、PWM驱动模块2、续流二极管VD6、电感L2和电容C2；模块11114直流负载供电输出用阻抗模型Z1代替，有两个供电端子“A1+”和“A1-”提供5V，100mA的直流电能，作为对A模块外的直流负载进行供电，且这个模块可通过内部机制，在一定范围内可调，满足多种小型负载的要求；模块1112三端输出反激式直流电源由VD7、VD8、VD9和VD10组成的整流桥，MOS管V3，PWM驱动模块3，一输入三输出隔离变压器T1，二极管VD11、VD12和VD13，稳压电容C3、C4和C5，以及负载Z2，Z3和Z4(分别提供5V、12V、12V的电能)组成。

模块11111经整流桥整流之后，MOS管V1两端的电压为直流脉动电压，MOS管V1通过PWM驱动模块1进行驱动，其供电取自模块1112三端输出反激式直流电源中直流负载Z3，通过与B模块中的MOS管V4的配合，在移相触发下，得到类似于带尖峰的脉冲式电压。

模块11112可以看做是一个特殊的Boost(DC-DC)电路，经取电电路传递来的电压不满足开关电源的输入电压要求，实际所需的电压为允许脉动的连续直流电压，因此滤波缓冲电路是必不可少的；滤波缓冲电路相当于稳压电源泵，将脉冲式电压转换为连续的脉动较大的直流电，供后级开关型稳压电路作为电源输入使用。

模块11113是一个Buck(DC-DC)电路，由滤波缓冲电路提供的输入电压为脉动较大的直流电，可以看作为输入可变且输出稳定的开关电源，能够有效工作。

开关型稳压电路在工作过程中，无附加损耗，工作效率高，在MOS管V3导通时刻Ton，电流流入，经电感L2，由于电流的di/dt较大，一方面可以在电感L2中储能，另一方面与电容C2进行低通滤波，同时电容C2还起到了稳压和储能的作用。

在MOS管V2关断时刻Tff，前级的电压不能灌入所述Buck电路，储存在电感L2和电容C2中的电能，特别是电感L2中的电能通过所述续流二极管VD6完成续流，使电感工作在连续模式下。

电容C2在整个开关周期内实现充放电的工作过程，从而达到稳压的作用。

Buck电路在电压负反馈的作用下，采用单闭环PWM对MOS管V2进行控制，从而实现对给定电压的跟踪，使其稳定输出。

MOS管V2通过PWM驱动模块2进行驱动，其供电取自模块1112三端输出反激式直流电源中直流负载Z4。

模块1112三端输出反激式直流电源中直流负载Z2为控制模块供电(主要是为MCU控制器和无线通信模块供电)，PWM驱动模块3通过电源的自取电电路来供电，对MOS管V3进行驱动。

根据以上电路的分析，在模块11114处可得到稳定的直流5V，100mA的电能。

在B模块中：

模块2111取电电路由四个整流二极管VD14、VD15、VD16、VD17组成的桥式整流电路以及MOS管V4和PWM驱动模块4构成；模块2112四端输出反激式直流电源由VD18、VD19、VD20和VD21组成的整流桥，MOS管V5，PWM驱动模块5，一输入四输出隔离变压器T2，二极管VD22、VD23、VD24和VD25，稳压电容C7、C8、C9和C10，以及负载Z6、Z7、Z8和Z9(分别提供5V、5V、12V、12V的电能)组成；模块23可控开关主要由双向可控硅和其触发电路模块构成。

模块2111经整流桥整流之后，MOS管V4两端的电压为直流脉动电压，MOS管V4通过PWM驱动模块4进行驱动，其供电取自模块2112四端输出反激式直流电源中直流负载Z8，通过与A模块中的MOS管V1的配合，在移相触发下，得到在一个周波丢失一小块的电压波形(模块2111在B模块中仅作为取电电路，后级不需要对电路进行输出设计)，对于负载交流侧而言，仅仅在一个周期丢失两个小区域，对于220V的市电来说，负载工作影响不大；

模块2112四端输出反激式直流电源中直流负载Z6连接模块2113，有两个供电端子“B1+”和“B1-”提供5V，100mA的直流电能，作为对B模块外的直流负载进行供电，直流负载Z7为控制模块供电(主要是为MCU控制器和无线通信模块供电)，PWM驱动模块模块5通过电源的自取电电路来供电，对MOS管V5进行驱动。

模块23可控开关作为对负载的开关，双向可控硅控制满足交流负载的控制要求，其触发电路模块的供电取自四端输出反激式直流电源中直流负载Z9。

模块2111与模块2112以及模块23和模块3的组合都是并联而成的，可看做是直接串在两线之间。

根据以上电路的分析，在模块2113处可得到稳定的直流5V，100mA的电能。

在负载中：

模块3不是B模块中的部分，为负载输入端，“B2+”和“B2-”为负载接入端子，将负载两端直接接在这两个端子上，便可以将负载引入电路，不需要破坏原来的结构。

本发明取电的设计可以简化为由最简单的交流电源、A模块的取电电路、B模块的取电电路以及负载构成的电路，在交流调压电路的启发下，设计了本发明，利用移相触发的方式对两个取电电路进行控制，从而得到需要的电能。同时采用先整流再取电的思想，每侧只需要一个单向的MOS管即可，简化了控制也节省了成本。其基本思想就是将市电火线上的一部分电压分给开关电路，供其使用，并且在移相触发时，这一部分很小的电压只需要很小的触发角就可以实现，同时在负载端也仅仅丢失了很小的一部分，对于日常生活的电器，特别是照明来说，是没有太大影响，对肉眼来说是察觉不到的，不会影响负载的正常工作，相比其他市面上只能在半个周期内取电，另外半个周期依赖电容放电的取电电路而言，本发明可以在市电正负半周均能取电，而且只取所需很小的一部分，避免了因电容过充过放所造成的寿命问题。在整个电路中除了器件的开关损耗以及自身的微弱电阻所带来的损耗外，没有其他损耗，因此本发明能够提供一种高效率、低损耗的单火线开关供电系统；

鉴于本发明的电路结构，A模块和B模块的取电电压始终按照控制的要求索取，并不会因为负载的变化或者负载的类型而产生影响，本发明同样也适用于其他非纯阻性负载。

本发明还提供一种单火线取电开关供电控制方法，根据移相控制的控制要求，在同一时刻，两端电路不能同时导通，并且由于实际电路的要求，应该设定死区时间。

MOS管V1和MOS管V4按照如下表1所示的时序进行触发控制，在一个周期内0°～a°和180°～a°+180°为A模块取电范围，b°～180°-b°+a°和b°+180°～360°-b°+a°为B模块取电范围，a°～b°、180°-b°+a°～180°、a°+180°～b°+180°和360°-b°+a°～360°均为设置的死区时间，而且b°-a°角度极小，且满足死区要求，符合MCU的控制精度，对负载的正常工作不会造成影响，同时也为电路的安全运行提供了保障。控制开关(可控开关)理论上只能在MOS管V1导通时才能触发信号导通，使负载获取到所需的电压，但是由于在一个周期内到达负载两侧的电压缺失极少，仅占一小部分，过渡时间很快，所以在哪个范围内开通、关断肉眼是很难分辨出来的。本发明的电压降是通过相位控制得到，与传统单火线取电采用阻容分压方式是不同的。

表1 MOS管控制时序表

表1为A模块和B模块MOS管控制的时序表，在表1的指导下生成对V1和V4的控制信号。根据以上对控制开关的信号控制要求，控制开关可以采用在任意时刻触发的方式，但是经无线传输后到达从控制器，采用恒周期过零点触发方式，需要对火线电压进行过零点检测，在电压过零时将触发信号下放到控制开关以控制通断，这个过程的操作时间不会超过半个周期10ms，肉眼很难分辨，是符合设计要求的；恒周期过零点触发能够有效的避免电压波形发生畸变，提高动作的可靠性，同时削弱高次谐波对MCU的影响。

表1中的两个控制角在某个范围内可调，但是为了使系统稳定工作，需要根据系统结构进行调整。在控制时序表的基础上，通过一种寻优算法，找到系统最优的a,b值。如图6所示为系统电路拓扑图，通过对A模块中单火线取电电路及供电输出模块的电路定性分析，并在此基础上利用基尔霍夫定理对拓扑进行定量计算，提供了图7所示的控制角a,b的寻优流程图。

如图7所示，本发明提供的一种单火线取电开关供电控制方法，包括：

步骤一：获取周期采样点个数和第一电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块的电路参数；周期采样点个数为半个市电周期的采样点总数。

第一电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块的电路参数包括：第一取电电路参数、滤波缓冲电路参数、开关型稳压电路参数和直流负载供电输出电路参数；第一取电电路参数包括第一桥式整流桥中整流二极管压降，直流负载供电输出电路参数包括直流负载供电输出电压。

步骤二：根据周期采样点个数和电路参数采用相角控制方法确定第一采样点个数和第二采样点个数。

步骤二，具体包括：

1)初始化第一采样点个数。

2)根据周期采样点个数和第一采样点个数确定第一采样点的相位值。

3)根据第一采样点的相位值确定第一取电电路电压有效值和第一MOS管关断时第一取电电路电压。

4)判断第一取电电路电压有效值是否大于第一MOS管关断时第一取电电路电压；若大于，则根据电路参数确定第一取电电路输入端理论电压值；若小于或等于，则将第一采样点个数加1，并返回步骤“根据周期采样点个数和第一采样点个数确定第一采样点的相位值”。

其中，根据电路参数确定第一取电电路输入端理论电压值，具体包括：

获取电路参数和第二桥式整流桥中整流二极管压降；根据开关型稳压电路参数和直流负载供电输出电压确定第二MOS管占空比；根据第二MOS管占空比和直流负载供电输出电压确定开关型稳压电路输入电压；根据开关型稳压电路输入电压、开关型稳压电路参数和滤波缓冲电路参数确定滤波缓冲电路输入电压；根据滤波缓冲电路输入电压、第一桥式整流桥中整流二极管压降和第二桥式整流桥中整流二极管压降确定第一取电电路输入端理论电压值。

5)判断第一MOS管关断时第一取电电路电压是否大于或等于第一取电电路输入端理论电压值；若小于，则将第一采样点个数加1，并返回步骤“根据周期采样点个数和第一采样点个数确定第一采样点的相位值”；若大于或等于，输出第一采样点个数。

6)根据第一MOS管与第二取电电路MOS管之间的死区时间确定与死区时间对应的采样点个数。

7)将第一采样点个数与与死区时间对应的采样点个数之和确定为第二采样点个数。

步骤三：根据第一采样点个数生成第一相角控制信号，根据第二采样点个数生成第二相角控制信号。

步骤三，具体包括：

1)获取第一PWM空数组和第二PWM空数组。

2)将第一PWM空数组中前N个元素值置1，后P-N个元素置0，得到第一相角控制信号；其中，N取值与第一采样点个数相同，P取值与周期采样点个数相同。

3)将第二PWM空数组中前S个元素值置0，后P-S个元素置1，得到第二相角控制信号；其中，S取值与第二采样点个数相同。

步骤四：根据第一相角控制信号控制第一电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块的取电电压，根据第二相角控制信号控制第二电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块的取电电压，用电设备得到电能。

如图6所示，模块11111和模块2111为取电电路，在MOS管V1和MOS管V4的控制下，两个模块的整流桥半个周期轮流导通，当MOS管V1关断，MOS管V4导通时，市电加载到MOS管V1上，考虑整流二极管的正向导通压降，忽略其他因素的影响，模块11111中整流桥之前的交流电压Uac为市电减去两个整流管(即VD14和VD17)的管压降Uv。

当MOS管V1在另半个周期导通时，在整流桥之后出现直流电压Udc，此时直流电压Udc为整流桥前的交流电压Uac减去两个整流管(即VD1和VD4)的管压降。

模块11112为滤波缓冲电路，通过电感和电容将取电电路取到的脉冲式直流电变为脉动较大的直流电，根据拓扑结构可以结合Boost电路进行分析，对于模块前级的电压Udc与后级的电压Ud存在定量关系，即

通过对拓扑的计算，便可以得到后级的电压Ud。

模块11113为开关型稳压电路，对前面脉动较大的直流电进一步处理，输出纹波小、稳定的、满足5V/100mA要求的直流电，这个模块是一个典型的Buck降压型开关电源，输出电压Uo与电源输入电压Ud成明显比例关系，但是由于负载的变化，以及系统的不稳定因素影响会造成输入电压的波动，模块11113内部的电源控制IC芯片进行电压负反馈控制，因此占空比是实时变化的，但是可以通过拓扑结构确定最优的计算值占空比Dc。

鉴于在后级输出存在反馈控制机制，因此寻优算法从后往前依次进行寻值，使得最优值适合本系统结构。

如图7所示，为控制角a,b的寻优流程图。

上电开机开始运行。

定义参数变量，理想输出电压Uo为5V，设置满足要求的纹波为0.2V，后级直流负载Z1阻值为50欧，滤波缓冲之后的纹波电压允许2V波动，整流管压降为0.8V，滤波稳压电容C1为300μF，电感L2为0.25mH，电容C2为110μF，MOS管V1工作周期为0.01s(即V1的控制周期为Ts＝10ms)，MOS管V4工作周期为0.01s(即V4的控制周期同样为Ts＝10ms)，Tc为开关电源，Buck电路的控制周期，Tc＝50μs。

赋值计算MOS管V1的关断相位，将周期采样点设为1000个，α为N个第一采样点的相位值即：

α＝N*PI/1000

式中，PI表示圆周率π。

赋值计算A模块取电电路取到的电压值MOS管V1关断时，第一取电电路电压为Ui＝311*SINα

赋值计算A模块第一取电电路电压有效值：

UI＝311*SQRT((0.5*α-0.25*SIN(2*α))/PI

判断A模块第一取电电路取到的电压有效值UI是否超过理想直流输出电压值(即第一取电电路电压Ui)，如果不满足要求，重新给N赋值，加1，返回相角计算，如果满足要求，则进行接下来的拓扑计算，这个多一个判断可以节省程序计算的时间，提高效率。

根据Buck电路的公式推导，易得MOS管V2的占空比Dc,即

Dc＝1-8*L2*C2*ΔU2/Uo/Tc/Tc

式中，Tc表示Buck电路的控制周期，ΔU2表示后级输出的电压纹波，也就是电压的波动范围，5V取百分之二到五，取0.2V。

由Buck电路输入输出电压的关系，计算输出理想电压(即直流负载供电输出电压Uo)所需要提供的开关稳压电路输入电压Ud的预期值为Ud＝Uo/Dc

根据滤波缓冲电路中输入与输出的关系，计算需要提供的经整流桥后的脉冲式直流电压的大小(即滤波缓冲电路输入电压Udc)：

Udc＝Ud-ΔU2*Z1*C1/Ts

式中，Ts表示控制信号的周期，即半个市电周期。

由于存在整流桥中整流管压降的问题，在计算预期取电电路取到的交流Uac时应当把两个管压降加上：

Uac＝Udc+2*Uv

式中，Uv表示两个整流管之间的压降。

同理，在计算预期所取市电的电压时，也应当把模块2111中的两个整流管压降补上，这样才能得到第一取电电路输入端理论电压：

U1＝Uac+2*Uv

判断Ui是否大于或等于预期值U1，如果不满足，重新对N赋值加1，返回到相角计算，如果满足要求，说明找到了关断相角(即相角a)以及第一采样点N。

此时的关断相角为所求的最优控制角a，将α赋值给控制角a(控制第一MOS管V1)。

由于要考虑死区时间，经过试验和论证，两个采样点时间可以保证系统的死区时间要求，保障系统的稳定运行，死区角度为δ＝2*PI/1000

控制角b(控制第二取电电路MOS管V4)在控制角a的基础上加上死区角度，就是最优导通MOS管V4的控制角；

b＝a+δ

这样系统控制角a，b的最优值就找到了，对于控制MOS管V1、V4动作的脉冲信号，可以根据表1的时序表进行设置。

由于半个市电周期内有1000个周期采样点，因此脉冲信号PWM波形需要对这1000个点进行描述，判断采样点是否小于1000，如果不满足，说明超出半个市电周期，结束程序。

如果没有超出，再进行判断，当前的采样点标号M(M为输出PWM设置)是否小于第一采样点N，如果小于，就为数组PWM1赋值1，如果不小于，就为数组PWM1赋值0。再判断M是否小于第二采样点N+2，如果小于，就为数组PWM2赋值0，如果不小于，就为数组PWM1赋值1。

赋值后再对M进行加1操作，并重新返回M小于1000的判断，直到M不小于1000时，结束程序。

这样在数组PWM1和PWM2中便得到了1000个0,1的数据点，控制信号所需的PWM波形便可以用这个数据进行描述，并对MOS管V1、V4产生相应的控制信号进行控制。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种单火线取电开关供电系统，其特征在于，包括：

第一取电开关供电子系统和第二取电开关供电子系统；

所述第一取电开关供电子系统的火线端与交流电源火线连接，所述第一取电开关供电子系统的负载端与所述第二取电开关供电子系统的火线端连接，所述第二取电开关供电子系统的零线端与交流电源零线连接；用电设备连接在所述第二取电开关供电子系统的直流负载供电端子上；

所述第一取电开关供电子系统，具体包括：

第一电源模块和第一控制模块；

所述第一电源模块和所述第一控制模块连接；所述第一电源模块用于对所述第一控制模块供电；所述第一控制模块用于控制第一电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块进行取电操作；所述第一电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块的火线端与交流电源火线连接；

所述第二取电开关供电子系统，具体包括：

第二电源模块、第二控制模块和可控开关；

所述第二电源模块分别与所述第二控制模块和所述可控开关连接；所述第二电源模块用于对所述第二控制模块和所述可控开关供电；所述第二控制模块用于控制第二电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块进行取电操作，所述第二控制模块还用于与所述第一控制模块进行通信；所述可控开关与所述第二控制模块连接，所述可控开关用于根据所述第二控制模块接收的所述第一控制模块发送的用电设备通断信号控制所述用电设备通断；所述第二电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块的零线端与交流电源零线连接，所述第二电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块的火线端与所述第一电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块的负载端连接；

采用相角控制方法控制所述第一电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块的取电电压以及所述第二电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块的取电电压，从而使所述用电设备得到电能；

所述第一控制模块，具体包括：

第一控制器、第一通信模块和触摸开关；

第一电源模块的稳压子模块与所述第一电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块连接，所述第一电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块用于向所述第一电源模块的稳压子模块提供电能；所述第一电源模块的稳压子模块与所述第一控制器连接；所述触摸开关与所述第一控制器连接，所述触摸开关用于向所述第一控制器发送触发信号，所述第一控制器根据所述触发信号控制用电设备的通断；所述第一通信模块与所述第一控制器连接，所述第一控制器用于控制所述第一通信模块进行通信；所述第一控制器与所述第一电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块连接，所述第一控制器用于控制所述第一电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块的取电电压；

所述第二控制模块，具体包括：

第二控制器和第二通信模块；

第二电源模块的稳压子模块与所述第二电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块连接，所述第二电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块用于向所述第二电源模块的稳压子模块提供电能；所述第二电源模块的稳压子模块与所述第二控制器连接；所述可控开关与所述第二控制器连接，所述第二通信模块与所述第二控制器连接，所述可控开关用于根据所述第二通信模块接收的所述第一通信模块发送的用电设备通断信号控制用电设备通断；所述第二控制器与所述第二电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块连接，所述第二控制器用于控制所述第二电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块的取电电压；所述第二电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块与所述可控开关连接，向所述可控开关提供电能。

2.根据权利要求1所述的单火线取电开关供电系统，其特征在于，

所述第一电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块，具体包括：

第一取电电路、滤波缓冲电路、开关型稳压电路、直流负载供电输出电路和三端输出反激式直流电源；

所述第一取电电路第一入口端与所述交流电源火线连接，所述第一取电电路第二入口端与所述第二取电开关供电子系统的火线端连接，所述第一取电电路用于将交流电转变为直流电；所述第一取电电路出口端与所述滤波缓冲电路入口端连接，所述滤波缓冲电路用于调整直流电的幅值；所述滤波缓冲电路出口端与所述开关型稳压电路入口端连接，所述开关型稳压电路用于直流恒压输出；所述开关型稳压电路的出口端与所述直流负载供电输出电路入口端连接，所述直流负载供电输出电路用于向连接在直流负载供电输出电路出口端的负载提供电能；

所述三端输出反激式直流电源的第一入口端与所述交流电源火线连接，第二入口端与所述第二取电开关供电子系统的火线端连接，第一供电输出端与所述第一取电电路连接，第二供电输出端与所述开关型稳压电路连接，第三输出端与所述第一电源模块的稳压子模块连接；所述三端输出反激式直流电源用于向所述第一取电电路、所述开关型稳压电路和所述第一电源模块的稳压子模块供电；

所述第二电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块，具体包括：

第二取电电路和四端输出反激式直流电源；

所述第二取电电路第一端与所述第一取电电路第二入口端连接，所述第二取电电路第二端与所述交流电源零线连接；

所述四端输出反激式直流电源第一入口端与所述第一取电电路第二入口端连接，第二入口端与所述交流电源零线连接，第一供电输出端与所述第二取电电路连接，第二供电输出端与所述第二电源模块的稳压子模块连接，第三供电输出端与所述可控开关连接，第四供电输出端与接入所述第二电源模块的负载连接；所述四端输出反激式直流电源用于向所述第二取电电路、所述第二电源模块的稳压子模块、所述可控开关和接入所述第二电源模块的负载供电。

3.根据权利要求2所述的单火线取电开关供电系统，其特征在于，

所述第一取电电路，具体包括：

第一桥式整流桥、第一MOS管和第一PWM驱动单元；

所述第一桥式整流桥的第一入口端与所述交流电源火线连接，所述第一桥式整流桥的第二入口端与所述第二取电电路第一端连接；所述第一MOS管连接在所述第一桥式整流桥的两个出口端上，所述第一PWM驱动单元驱动端与所述第一MOS管连接，所述第一PWM驱动单元输入端与所述第一控制器连接，所述第一PWM驱动单元用于根据所述第一控制器的控制信号驱动所述第一MOS管；

所述滤波缓冲电路，具体包括：

第一电感、滤波缓冲电路的二极管和第一电容；

所述第一电感一端与所述第一MOS管一端连接，所述第一电感另一端与所述滤波缓冲电路的二极管导通端连接，所述滤波缓冲电路的二极管截止端与所述第一电容一端连接，所述第一电容另一端与所述第一MOS管另一端连接；

所述开关型稳压电路，具体包括：

第二MOS管、第二电感、第二电容和开关型稳压电路的二极管；

所述第二MOS管一端与所述滤波缓冲电路的二极管截止端连接；所述第二MOS管另一端、所述第二电感一端与所述开关型稳压电路的二极管截止端连接；所述第二电感另一端与所述第二电容一端连接；所述第二电容另一端、所述开关型稳压电路的二极管导通端与所述第一电容另一端连接；

所述直流负载供电输出电路，具体包括：

第一阻抗，所述第一阻抗与所述第二电容并联，连接在直流负载供电输出电路出口端的负载与所述第一阻抗并联。

4.根据权利要求3所述的单火线取电开关供电系统，其特征在于，

所述第二取电电路，具体包括：

第二桥式整流桥、第二取电电路MOS管和第二PWM驱动单元；

所述第二桥式整流桥的第一入口端与所述第一桥式整流桥的第二入口端连接，所述第二桥式整流桥的第二入口端与所述交流电源零线连接；所述第二取电电路MOS管连接在所述第二桥式整流桥的两个出口端上，所述第二PWM驱动单元驱动端与所述第二取电电路MOS管连接，所述第二PWM驱动单元输入端与所述第二控制器连接，所述第二PWM驱动单元用于根据所述第二控制器的控制信号驱动所述第二取电电路MOS管；

所述可控开关，具体包括：

双向可控硅和双向触发电路单元；

所述双向可控硅一端与所述第二桥式整流桥的第一入口端连接，所述双向可控硅另一端与直流负载供电端子第一端子连接，直流负载供电端子第二端子与所述交流电源零线连接，所述直流负载供电端子第一端子和第二端子用于连接所述供电设备；所述双向触发电路单元供电端与所述四端输出反激式直流电源第三供电输出端连接，所述双向触发电路单元驱动端与所述双向可控硅的控制端连接。

5.根据权利要求4所述的单火线取电开关供电系统，其特征在于，

所述第一取电开关供电子系统，还包括：

线路保护开关；

所述线路保护开关一端与所述交流电源火线连接，所述线路保护开关另一端与所述第一桥式整流桥的第一入口端连接；

所述三端输出反激式直流电源第一供电输出端向所述第一取电电路提供12V电压，第二供电输出端向所述开关型稳压电路提供12V电压，第三供电输出端向所述第一电源模块的稳压子模块提供5V电压；

所述直流负载供电输出电路向连接在直流负载供电输出电路出口端的负载提供5V直流电压；

所述四端输出反激式直流电源第一供电输出端向所述第二取电电路提供12V电压，第二供电输出端向所述第二电源模块的稳压子模块提供5V电压，第三供电输出端向所述可控开关提供12V电压，第四供电输出端向接入所述第二电源模块的负载提供5V电压。

6.一种单火线取电开关供电控制方法，应用权利要求1-5任一项所述的单火线取电开关供电系统，其特征在于，所述方法，包括：

获取周期采样点个数和第一电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块的电路参数；所述周期采样点个数为半个市电周期的采样点总数；

根据所述周期采样点个数和所述电路参数采用相角控制方法确定第一采样点个数和第二采样点个数；

根据所述第一采样点个数生成第一相角控制信号，根据所述第二采样点个数生成第二相角控制信号；

根据所述第一相角控制信号控制第一电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块的取电电压，根据所述第二相角控制信号控制第二电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块的取电电压，用电设备得到电能。

7.根据所述权利要求6所述的单火线取电开关供电控制方法，其特征在于，所述根据所述周期采样点个数和所述电路参数采用相角控制方法确定第一采样点个数和第二采样点个数，具体包括：

初始化第一采样点个数；

根据所述周期采样点个数和所述第一采样点个数确定第一采样点的相位值；

根据所述第一采样点的相位值确定第一取电电路电压有效值和第一MOS管关断时第一取电电路电压；

判断所述第一取电电路电压有效值是否大于第一MOS管关断时第一取电电路电压；若大于，则根据所述电路参数确定第一取电电路输入端理论电压值；若小于或等于，则将所述第一采样点个数加1，并返回步骤“根据所述周期采样点个数和所述第一采样点个数确定第一采样点的相位值”；

判断所述第一MOS管关断时第一取电电路电压是否大于或等于所述第一取电电路输入端理论电压值；若小于，则将第一采样点个数加1，并返回步骤“根据所述周期采样点个数和所述第一采样点个数确定第一采样点的相位值”；若大于或等于，输出第一采样点个数；

根据第一MOS管与第二取电电路MOS管之间的死区时间确定与所述死区时间对应的采样点个数；

将所述第一采样点个数与所述死区时间对应的采样点个数之和确定为第二采样点个数。

8.根据所述权利要求7所述的单火线取电开关供电控制方法，其特征在于，根据所述第一采样点个数生成第一相角控制信号，根据所述第二采样点个数生成第二相角控制信号，具体包括：

获取第一PWM空数组和第二PWM空数组；

将所述第一PWM空数组中前N个元素值置1，后P-N个元素置0，得到第一相角控制信号；其中，N取值与所述第一采样点个数相同，P取值与所述周期采样点个数相同；

将所述第二PWM空数组中前S个元素值置0，后P-S个元素置1，得到第二相角控制信号；其中，S取值与所述第二采样点个数相同。

9.根据所述权利要求8所述的单火线取电开关供电控制方法，其特征在于，

所述第一电源模块的单火线取电电路及供电输出子模块的电路参数包括：第一取电电路参数、滤波缓冲电路参数、开关型稳压电路参数和直流负载供电输出电路参数；所述第一取电电路参数包括第一桥式整流桥中整流二极管压降，所述直流负载供电输出电路参数包括直流负载供电输出电压；

所述根据所述电路参数确定第一取电电路输入端理论电压值，具体包括：

获取所述电路参数和第二桥式整流桥中整流二极管压降；

根据所述开关型稳压电路参数和直流负载供电输出电压确定第二MOS管占空比；

根据所述第二MOS管占空比和所述直流负载供电输出电压确定开关型稳压电路输入电压；

根据所述开关型稳压电路输入电压、所述开关型稳压电路参数和所述滤波缓冲电路参数确定滤波缓冲电路输入电压；

根据所述滤波缓冲电路输入电压、第一桥式整流桥中整流二极管压降和第二桥式整流桥中整流二极管压降确定第一取电电路输入端理论电压值。

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