单火线开关设计详解

第一章 引言

1.1 单火线产品的现状
近几年来智能家居发展迅猛，特别是互联网巨头纷纷入场，加速此市场的发展，以及智能手机等其他智能设备的不断普及，为家居智能化带来发展的空间，近几年来智能家居呈现井喷式发展，其中改善性智能家居发展占据较大份额。开关照明又是智能家居的重要组成部分，照明智能化越来越受到市场的关注。
传统的家居环境，控制照明设备为了节约走线成本，通常的办法是共用零线，只将火线拉扯到传统的机械开关上，进行机械式切断电源，从而达到开关照明设备的目的。这样就为改造家居智能照明带来了难题，因为传统的开关盒子只有火线，没有零线，无法为普通的设备提供电源，从而无法实现智能化。
为了解决此难题，单火线智能开关越来越受到市场的青睐，它成为打开智能照明家居存量市场的一把钥匙，目前行业内小米、百度等都推出自己的单火开关。
1.2 单火开关介绍
1.2.1 什么是单火线开关面板
下表1.1通过表格的形式详述了传统开关、零火开关、单火开关之间的差异。
表1.1 开关种类对比表

1.2.2 单火开关和零火开关的区别
单火开关和零火都可以通过触摸、按键、手机、语音、网关等进行控制，其中最大的特点是可以通过433模块、zigbee模块、LoRa模块等对智能开关进行无线控制。大家都知道，无线控制的智能开关必须时刻处于通电待机状态，准备随时接受各种控制信号，这个就像空调和遥控器一样，当你拔掉空调插座时，你的遥控器对空调是不起作用的，只有在空调处于通电待机状态，遥控器才有用。因此说无论是用单火开关还是零火开关的方式都要让智能开关处于时刻供电状态，那么他们俩之间的区别到底在哪里呢？
其实单火开关还是零火开关的区别主要表现在：供电方式的不同。任何的电气设备工作都必须供电，正常的供电必然需要形成回路。
零火线智能开关是直接通过零线和火线形成回路打到给智能开关供电的目的。
而单火线智能开关，也需要形成回路。它是直接通过灯具火线的漏电流形成回路，只是漏电流比较小，灯具不亮，从感知来讲，认为灯具是关闭的，然而灯具实际上一直有电流流过，只是电流较小，不足以点亮灯具。
通过上述原理描述可以发现，零火开关是不需要关注本身开关面板的功耗的，而单火开关必须要关注开关面板的功耗，因为当功耗过大时，会导致漏电流过大，从而导致灯具被间歇性点亮，这就行业内常说的“鬼火”现象。
1.2.3 单火开关的“鬼火”现象
单火线取电技术的难点在于灯具关闭时，单火智能开关是和灯具串联后接入电网的，所以流过单火线智能开关和灯具的电流大小是一样的，电流太小就会导致智能开关电路不能正常工作，如果电流过大就会导致灯具会有间歇性闪烁，也就是俗称“鬼火”。所以低功耗单火待机和工作电源电路的研发难度非常大，到目前为止这仍是国内外限制单火线智能开关发展的主要技术瓶颈。
单火线开关为什么接白炽灯不会出现“鬼火”，而接LED等节能灯就会出现“鬼火”呢？
这与LED灯以及智能开关的本身的方案原理有很大的关系。第一，由于智能开关是用电子元器件组成的控制开关，就一定要消耗一定的电流，这一电流一定是要通过串联在电路回路中的LED节能灯。第二，由于LED节能灯内部电路结构的特殊性，即便流过LED节能灯的电流很小，也会让LED节能灯出现不同程度的闪烁现象。
如下图1.1当单火智能开关自身消耗的微小电流通过火线经灯具内的整流桥电路的滤波电容C时，这一很小的电流会对灯具内部滤波整流电容C进行充电，当灯具内的滤波整流电容C上的直流电压充到约50V左右，LED节能灯内部的电子电路就会因为电压电流达到工作门限，从而恢复工作而LED使节能灯被点亮。这时滤波整流电容C两端的电压因为灯具消耗电能，滤波整流电容C放电从而电压下降，然后再开始下一轮的充电及放电过程。这样，我们就会看到灯闪或微亮现象（俗称“鬼火”）。

图1.1 “鬼火”现象描述图
“鬼火”现象的间隔时间和流过单火智能开关的电流及LED节能灯的内部电路结构密切相关，因为电流很小就会导致此类问题，所有和器件的离散性等都有很大关系，很难进行具体量化，比如感性负载的LED节能灯会不会闪烁？容性负载的LED节能灯会不会闪烁？阻性负载的LED节能灯会不会闪烁？多少瓦数以上的节能灯不会闪烁？但是经过对市场上不同种类各大品牌厂商的LED节能灯进行详细的实际测试，我们发现漏电电流在600uA以上的LED节能灯会出现“鬼火”现象。通过大量市场调查测试我们得出，市场上主流常规的大厂LED节能灯，通常功率在3W以下，都会出现“鬼火”现象。而3W以上的LED节能灯很少出现“鬼火”现象，通常容性负载的LED节能灯更容易出现出现“鬼火”现象。
1.3 单火方案的前世今生
1.3.1 过去的单火线
1）“鬼火”问题不好解决
传统的方案使用分立器件进行电路搭建，只使用稳压管、三级管等器件，器件本身误差大，常常导致一批产品有些有鬼火现象，有些没有鬼火现象。一致性非常差。
2）分立器件方案不稳定，客诉多
分离器件搭建的硬件电路，每一个器件都可能存在器件的偶然损坏，总体会导致产品的良率下降，经常导致客户投诉。
3）智能家居生态不成熟
没有成熟的智能家居网络环境，没有成熟的网关设备，智能家居的生态系统比较混乱，导致单火线方案的推行举步维艰，不被客户所有接受，市场占有率比较低。
4）成本高
传统的分离器件单火线方案，物料成本奇高，导致很多客户往往选择零火方案进行重新布线，导致单火线方案很难推进。
1.3.2 现在的单火线
随着技术的更新，低功耗433模块、zigbee 模块、LoRa 模块等集成化无线通讯模块的迅速发展。集成化的超低待机功耗ACDC电源芯片技术不断革新，智能家居市场的加速渗透，互联网巨头持续推行智能家居，智能音箱快速普及，智能照明占比不断提高，智能电工产品快速覆盖。使得智能化家居生态系统的逐渐成熟，现在单火线迎来了新的发展机遇。
1.3.3 单火线具体应用
1）家装智能改造——光源产品/灯具智能化
2）低成本接入智能家居——大厅主灯智能化
3）便捷应用扩展——卧室开关的改造

第二章 单火线开关的低压控制板设计

2.1 单火线开关的低压控制板作用
低压控制板的主要作用就是实现单火面板433模块与gateway之间433通讯，实现触摸打开或关闭电源开关，实现高压过零检测和电路复位。
2.2 单火线面板433模块和gateway之间433通讯设计
2.2.1 面板433芯片介绍
CMT2300A是华普微一款超低功耗、FSK模式、低成本的433芯片。CMT2300通过高集成化来减少外围电路设计，降低外围物料成本。发射功率高达+20dBm、接收灵敏度 -121dBm，能够满足当前商用设备所有使用需求。CMT2300A的工作电压范围是1.8V~3.6V，电压域较宽。接收灵敏度为-121dBm时的电流仅要8.5mA；发射功率为20dBm时消耗的电流也只要20mA。
2.2.2 面板433模块原理介绍
电源部分设计使用常规的LC滤波器，通过磁珠和电容的将100M以上的开关频率的噪声，转化成热量和通过对地偶尔电容滤除。 IC的对外接口为SPI接口，SPI接口与上位机之间通过SPI通讯将数据通过通过433芯片外发。详细设计见下图2.1.

图2.1 433模块原理图
2.2.3 面板433天线设计
天线在通信领域使用的范围很广，那么天线频率、波长、长度有什么关系呢？天线长度的计算公式是什么呢？下面为大家分析天线波长与频率、长度的关系。
天线长度L与频率MHz成反比，与波长λ成正比，频率越高，波长越短，天线也就可以做得越短。这样是我们看到手机等无线通讯设备的天线很小甚至和机壳做在一起，而像收音机等无线设备都会挂着一根长长的天线。
天线的发射和接收灵敏度之间的关系为：天线的长度L为波长λ的1/4时。根据上述关系天线的长度是由信号的频率即波长来决定。频率与波长的换算公式为：λ=300000KM/433MHz=0.6928。对应的天线长度L=0.6928/4=0.1725M。
知道天线长度后，因为当前开关盒子的里面的面积有线，所有我们决定接将天线通过Layout的方式画在PCB单板上。PCB天线的走线附件不能有GND，不然会影响信号发射强度，还有高频信号一定不能有分叉，在走线的时候一定要注意。详细的PCB版图设计见下图2.2.

图2.2 PCB天线走线图
2.3 单火线面板触摸功能设计
2.3.1 电容式触摸基本原理介绍
电容式触摸感应电极由PCB上的金属镂空区域或者导电泡棉或者导电金属弹簧形构成。当没有手指靠近时，感应电极上的电容由电极与周边地线或其它信号引线之间的寄生电容组成，该感应变化量很小。当有手指触摸电极上方的面板时，由于人体有导电性，感应电极板上方的电场增强、形成一个与寄生电容并联的电容，从而导致感应电极上的总电容增加。电容性触摸感应检测电路就是通过检测这种电容的变化，从而判断是否有手指触摸。
2.3.2 触摸电路原理介绍
电源部分常规设计，需要有一个两个电容，100nF+10uf电容的组合，100nF电容作用是滤除高频部分的噪声干扰，10uf电容式滤除低频部分噪声，同是还有维持电源稳定的作用。按键部分串了一个510R电阻，其主要的目的是静电防护，因为触摸部分是最容易和人体接触的，通过电阻后，静电能量被消耗掉，起到保护芯片的作用，这个地方不建议使用静电防护管进行防护，因为静电防护管，通常有较大的寄生电容（静电防护管的寄生电容能达到200pF），寄生电容过大，会导致按键触摸灵敏度下降。对地的4.7pF电容的主要作用是为了防止环境有较高的高频干扰信号，通过4.7pF将他滤除到地上，防止误触发。详细的原理图见下图2.3.

图2.3 触摸电路原理图
2.4 低压控制板功能设计
2.4.1 继电器控制介绍
单火线设计的核心是低功耗设计，当前使用继电器进行开关时，不能使用常规的线圈继电器，要使用磁保持继电器来降低功耗，磁保持继电器的好处是，通电瞬间让触电切换，触点不切换时通过自身磁力维持开关或者闭合的状态。所以这里用了一颗继电器触动IC，软件按照下图2.4方式实现继电器的开关与闭合。

图2.4 继电器驱动电路时序图
2.4.2 过零检测和单火芯片复位
AC220V的电源是标准的正弦波，是正负电压不断交替变化的，我们假如继电器在电压峰值的时候切换，接触瞬间，会产生电弧，长期使用会是导致继电器触点损坏，而BP800一款高集成度单火线智能面板电源芯片，提供了Relay On供电，具有AC电压过零检测功能，可以在母线电压低时通、断Relay，来延长 Relay寿命。详细见下图示波器波形图2.5
图2.5 继电器驱动电路时序图
继电器断开状态，BP8009通过HV_S 引脚进行过零检测。在过零附近，ZVD_ROFF引脚(需上拉)产生一个300us宽的低电平脉冲。
电源的上电到电源稳定需要一定的时间，在这个时间内，我们不希望芯片有动作，通常会将芯片复位掉，带上电完成，进行解复位处理。

第三章 单火线面板高压取电方案设计

3.1 单火线开关的高压板作用
单火线高压板的主要作用就是给整个控制面板提供电源，要注意这里的提供电源是不间断的电源，因为低压控制板需要一直被供电，才能保证触摸功能和RF通讯正常。所以供电被分为两种取电模式即灯亮取电和灯灭取电，如下图3.1。

图3.1单火开关灯亮、灭取电示意图
3.2 灯灭取电模式设计
3.2.1 灯灭取电原理阐述
如图3.2所示，当灯灭时，这时候主要是利用了灯的漏电流来实现，即市场绝大多少的灯具当电路电流小于600uA的时候，灯具不会被点亮， 这个电路就是利用D6整流器和C13 2.2uF/630V的电容进行全波整流，将交流电转换成直流电，然后利用T1的变压器线圈和BP2535C芯片的4脚进行开关，然后通过线圈匝数比的进行耦合，T1变压器的次级有两个线圈绕组，A绕组是给BP2535C的芯片进行供电。B绕组是给灯灭时整个系统进行供电。两个绕着分辨通过D8、D6、C14、C8进行稳压整流。
然后利用D7 5.1V稳压管与光耦和BP2535C形成一个负反馈，从而实现稳定输出6V电平，然后通过3V3LDO转化成3.3V电源，整个系统供电。
3.2.2 灯灭取电优点
* 隔离方案<1.5mW超低待机功耗at Vin=230Vac
* 3W及以上负载，无闪灯，无微亮
* 兼容阻容LED，低P、高P LED，CFL，白炽灯等
3.3 灯亮取电模式设计
3.3.1 灯亮取电原理阐述
如图3.2所示当继电器闭合的时候，电路切换成U7进行取电，BP8009通过反复过零检测，反复切换Q1 MOS管，一方面通过D3和C7组装半波整流给BP8009进行供电，另一方面D11和C15也通过半波整流，给低压部分进行供电，这个地方设计的点，主要是BP8009进行过零检查，然后通过固定延时，输出高低电平去控制MOS管进行切换。从而实现稳定的直流电压输出。
3.3.2 解决MOS管温升问题
* 自适应MOS导通时间，减少并联肖特基二极管热量。
解决分立方案因为温升限制，无法支持大功率负载(浴霸灯)的问题；
如下图3.3所示，传统分立方案MOS导通时间为t1-t2, t2-t3间火线上电流需从二极管上走； BP8009 自适应MOS导通时间，t1-t3 MOS管开通，火线上电流从MOS管走，大大降低了二极管的发热；

图3.3 MOS管开关波形图
* 实测结果：
实验条件：Vac=220Vac，室温=15℃，2kW电炉（实际功率约1800W）
实验结果：温度最高点为MOSFET，约33℃，温升约18℃，如下图3.4所示。
根据客户的测试结果，MOSFET温升相比分立方案降低28℃。

图3.4 MOS温升图

详细原理图和网关设计可以见上传资料 或者私信我。