TWI719593B

TWI719593B - 單火線電力控制系統

Info

Publication number: TWI719593B
Application number: TW108129330A
Authority: TW
Inventors: 楊世學; 郭俊杰
Original assignee: 益力半導體股份有限公司
Priority date: 2019-08-16
Filing date: 2019-08-16
Publication date: 2021-02-21
Also published as: TW202109238A

Abstract

本發明揭示一種單火線電力控制系統，於輸入端及輸出端跨接於單火線迴路上。該單火線電力控制系統包括一線性穩壓器、以及一開關截電模組。該低壓差線性穩壓器設置於該輸入端及該輸出端之間，穩定該輸入端及該輸出端之間的最小電壓差。該開關截電模組包括一半導體開關單元、一驅動器、以及一電壓回授控制電路。該電壓回授控制電路係於偵測到該輸入端及該輸出端之間的跨電壓超過一參考電壓時輸出一第一控制訊號至該驅動器以開啟該半導體開關單元，並於偵測到該半導體開關單元開啟超過一預設時間時輸出一第二控制訊號至該驅動器以關閉該半導體開關單元。

Description

單火線電力控制系統

本發明係有關於一種單火線電力控制系統，特別是指一種可以於單火線上取電並傳輸控制訊號的單火線電力控制系統。

一般電子開關電源設計主要是經由火線及水線兩端得到完整的交流電源，然後將交流轉換成直流，以提供電子開關工作時所需的電源。現今房子電燈開關多數都只有一條火線沒有水線，所以如果要讓電子開關取得電源就必須多拉一條水線到開關處。這是一件非常麻煩的事，因為必須把多出來的水線穿過牆內電管走線，在管內已有存在線路的情況下這是一道非常困難的工序。另一種做法則是放棄讓水線走牆內，直接由牆外拉水線，但這樣會造成外側牆面看起來非常不美觀。

單火線取電技術主要是從火線和接到負載的線間來取得提供電子開關工作的電源，這樣就不需再接一條水線。其原理就是從流經電子開關的電流來轉換成所需的電源，當開關關閉的時候，其實開關還是導通的，只是因為電流非常小，所以負載(例如電燈)並不會啟動。在現今的技術中，為了因應智能家庭的需求，許多家用電子產品都必須要自帶聯網功能，即物聯網技術(Internet of Things,IoT)。多數物聯網產品於應用上均是使用RF傳輸(例如現今的LED燈具控制)，然而RF傳輸上尚有不確定性，在訊號的傳輸上尚必須要考慮環境所造成的雜訊及干擾因子。

本發明的主要目的，在於提供一種單火線電力控制系統，於輸入端及輸出端跨接於單火線迴路上。該單火線電力控制系統包括一低壓差線性穩壓器、以及一開關截電模組。該低壓差線性穩壓器設置於該輸入端及該輸出端之間，穩定該輸入端及該輸出端之間的最小電壓差。該開關截電模組包括一設置於該輸入端及該輸出端之間的半導體開關單元、一連接於該半導體開關單元控制端的驅動器、以及一連接至該驅動器的電壓回授控制電路。該電壓回授控制電路係於偵測到該輸入端及該輸出端之間的跨電壓超過一參考電壓時輸出一第一控制訊號至該驅動器以開啟該半導體開關單元，並於偵測到該半導體開關單元開啟超過一預設時間時輸出一第二控制訊號至該驅動器以關閉該半導體開關單元，藉以於該半導體開關單元關閉期間由該低壓差線性穩壓器經由該輸入端取電。

是以，本發明係比起習知技術具有以下的優勢功效：

1.本發明搭配簡易的單火線控制架構，可以於電源線上傳遞輔助控制訊息作為RF控制信號失效時之輔助，藉此增加系統穩定性。

2.本發明使用半導體開關單元進行切換，相較於傳統的三端雙向可控矽(TRIAC)或單向可控矽(SCR)，有著不需要維持電流的優勢，可以增加系統穩定度，且由於後級不需要流血電路，可進一步增加效率。

3.本發明使用半波方式相比於傳統架構而言，驅動電路較為簡單，且效率更為提升，且半波於負半周操作於同步整流區，比起外加半導體效率提升。

100‧‧‧單火線電力控制系統

10‧‧‧線性穩壓器

11‧‧‧電容

20‧‧‧開關截電模組

21‧‧‧半導體開關單元

22‧‧‧驅動器

23‧‧‧電壓回授控制電路

231‧‧‧電壓感測器

232‧‧‧比較器

233‧‧‧計時器

30‧‧‧控制器

40‧‧‧編碼器

IP‧‧‧輸入端

OP‧‧‧輸出端

T1、T2‧‧‧預設時間

200‧‧‧交流電源

300‧‧‧負載裝置

F‧‧‧單火線迴路

G‧‧‧水線迴路

圖1，為本發明單火線電力控制系統的方塊示意圖(一)。

圖2，為本發明單火線電力控制系統的方塊示意圖(二)。

圖3，為本發明正常工作狀態時的模擬波形示意圖。

圖4，為本發明觸發工作狀態時的模擬波形示意圖。

有關本發明之詳細說明及技術內容，現就配合圖式說明如下。再者，本發明中之圖式，為說明方便，其比例未必照實際比例繪製，該等圖式及其比例並非用以限制本發明之範圍，在此先行敘明。

請先參閱「圖1」，為本發明單火線電力控制系統的方塊示意圖(一)，如圖所示：本發明單火線電力控制系統100配合設置在室內配電系統上，於輸入端IP及輸出端OP跨接於交流電源200的單火線迴路F上，並進一步於後端方向上串連至負載裝置300，再經由該負載裝置300連接至交流電源200的水線迴路G上。該單火線電力控制系統100經由於單火線迴路F上取電並經由半導體開關單元21輸出控制訊號至後端的該負載裝置300，藉以透過配電迴路達到控制訊號傳輸的功能。

以下針對本發明舉一具體實施態樣進行說明，請一併參閱「圖2」，為本發明單火線電力控制系統的方塊示意圖(二)，如圖所示：本實施態樣的單火線電力控制系統100主要包括一線性穩壓器10、一開關截電模組20、一控制器30、以及一編碼器40。

所述的線性穩壓器10設置於該輸入端IP及該輸出端OP之間，用以穩定該輸入端IP及該輸出端OP之間的最小電壓差，並對電容11進行充電。於一較佳實施態樣中，該線性穩壓器10係可以為低壓差線性穩壓器(Low-dropout regulator,LDO)，透過控制線性區調整電晶體的傳導藉以調節輸出電壓。該線性穩壓器10除了可以為低壓差線性穩壓器外，亦可以為恒流充電器、電容式降壓器或電阻式分流器，於本發明中不予以限制。

所述的開關截電模組20主要是透過控制半導體開關單元21的啟閉，用以於交流電半波過零值上升段時，週期性的開路火線至負載裝置300間的連接，藉以經由線性穩壓器10於交流電運載的每一周期內對電容11間歇式的進行充電，藉此供應控制器30所需的電源。該開關截電模組20主要包括一設置於該輸入端IP及該輸出端OP之間的半導體開關單元21、一連接於該半導體開關單元21控制端(於MOSFET的實施態樣中，該控制端為MOSFET的閘極)的驅動器22、以及一連接至該驅動器22的電壓回授控制電路23。該開關截電模組20器依據半導體開關單元21的不同可以分為PMOS類型及NMOS類型的MOSFET開關；又於另一實施態樣中，該半導體開關單元21亦可以為絕緣閘極雙極性電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)、氮化鎵場效電晶體(GaN MOSFET)、碳化矽場效電晶體(SiC MOSFET)等，於本發明中不予以限制。

所述的控制器30可以連接至一人機互動介面(I/O device)，並經由該人機互動介面接收控制指令，該人機互動介面例如可以為實體控制開關、具操作面盤的觸控開關等，控制指令例如可以是明暗度(Dimming)、色溫、顏色等控制指令；於另一可行的實施態樣中，該控制器30亦可以直接經由程式編程執行對應的指令，於本發明中不予以限制。該控制器30例如可以是中央處理器、可程式化之一般用途或特殊用途的微處理器(Microprocessor)、數位訊號處理器(Digital Signal Processor,DSP)、可程式化控制器、特殊應用積體電路(Application Specific Integrated Circuits,ASIC)、單晶片RF系統(RF-SoC)或其他類似裝置或這些裝置的組合，於本發明中不予以限制。該控制器30可以配合儲存單元設置，利用該儲存單元儲存例如參數、或故障記錄等。該儲存單元例如可以為電子抹除式可複寫唯讀記憶體(Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory,EEPROM)，於本發明中不予以限制。

所述的編碼器40(encoder)係設置於該控制器30的輸出，用以將該控制器30的指令編譯為對應的編碼藉以調變該驅動器22的輸出。該編碼器 40於一可行的實施態樣中，可以透過查找表(Look-up table,LUT)依據輸入的控制指令查找並輸出對應的編碼；於負載裝置端則對應的設置有用以對該等編碼進行解譯的解碼器(decoder)，該等解碼器可以由微處理器(MCU)實現。該編碼器40於另一可行的實施態樣中，係可以與該控制器30共構為一處理器，該等硬體整合形式非屬本發明所欲限制的範圍。

於控制迴路中，該電壓回授控制電路23係藉由偵測該輸入端IP(例如對應到半導體開關單元21的汲極)及該輸出端OP(例如對應到半導體開關單元21的源極)之間的跨電壓藉以將該半導體開關單元21切換於兩種不同的工作模式。具體而言，當該電壓回授控制電路23於偵測到該輸入端IP及該輸出端OP之間的跨電壓超過一參考電壓Vref時，該電壓回授控制電路23將執行第一種工作模式，輸出一第一控制訊號至該驅動器22以開啟該半導體開關單元21，此時半導體開關單元21將切換至線性區的工作模式，電流可以由半導體開關單元21通過；當該電壓回授控制電路23於偵測到該半導體開關單元21開啟超過一預設時間時，該電壓回授控制電路23將執行第二種工作模式，輸出一第二控制訊號至該驅動器22以關閉該半導體開關單元21，此時半導體開關單元21將切換至截止區的工作模式，藉以於該半導體開關單元21關閉期間由該線性穩壓器10經由該輸入端IP取電。

於一具體的實施態樣中，該電壓回授控制電路23包括一電壓感測器231、一比較器232、以及一設置於該比較器232及該驅動器22之間的計時器233。該電壓感測器231主要是用以偵測該輸入端IP及該輸出端OP的跨電壓，該比較器232將該跨電壓與該參考電壓Vref進行比較以輸出該第一控制訊號。此處的參考電壓Vref係用以決定半波的觸發臨界點，為了讓電容11充足電，該參考電壓Vref的設定值(或下限值)可以依據實際需求由開發人員調高或調低。

該計時器233於接收到該比較器232的第一控制訊號時將觸發一計時功能，以記錄該半導體開關單元21的開啟時間，當該開啟時間超過一預設時間時輸出一第二控制訊號至該驅動器22以關閉該半導體開關單元21。其中，該預設時間係大致等於市電交流電源的單一週期減去該參考電壓Vref的上升期間，以盡量確保該半導體開關單元21於交流電過零值前關閉。

該控制器30係經由該編碼器40連接或耦接至該開關截電模組20，該編碼器40係將該控制器30輸出的控制指令編繹為二或二以上的參考電壓Vref並輸出至該開關截電模組20。

該控制器30將控制指令輸入至該編碼器40，經由該編碼器40轉換為對應的編碼以控制電壓上升段時間，藉以透過上升段時間傳輸控制指令。於使用在LED的實施態樣中，該編碼器40的查找表如下：

其中，△T為正常工作狀態下過零值上升段到達截止區(參考電壓Vref)時所需的時間，C ₁-C ₆則分別代表不同控制指令的延時訊號，藉由在一般截止時間的延時訊號C ₁-C ₆傳地控制指令，並由另一端的解碼器解譯並獲得控制指令；於另一可行的實施態樣中，如果參考電壓Vref不夠穩定，則可以將C ₁-C ₆作為可變參數，以△T+C _N的總合作為編碼，以配合△T的變化量修正C ₁-C ₆的數值以求得恆定的總合值，確保訊號的可靠度。須注意的是，該計時器233開啟該半導體開關單元21的預設時間為了恆定在週期過零值到達前關閉，該預設時間將配合延時的時間調變。

以下配合圖式針對半導體開關單元21的啟閉時間進行說明，請一併參閱「圖3」及「圖4」，為本發明正常工作狀態時的模擬波形示意圖以及觸發工作狀態時的模擬波形示意圖，如圖所示：如圖3所示，於該模擬波形示意圖中由上而下分別為半導體開關單元21的汲極-源極電壓-時間示意圖(縱軸為半導體開關單元21的汲極-源極電壓V _DS，橫軸為時間T)、半導體開關單元21的汲極電壓-時間示意圖(縱軸為半導體開關單元21的汲極電壓V _D，橫軸為時間T)、以及半導體開關單元21的閘極-源極電壓-時間示意圖(縱軸為半導體開關單元21的導通電壓V _GS，橫軸為時間T)。

於正常工作狀態時，由汲極-源極電壓與時間的關係圖來看(最上圖)，由圖式中可知參考電壓Vref大約為30mV，當汲極-源極電壓V _DS於到達參考電壓Vref時，電壓回授控制電路23將執行第一種工作模式，輸出一第一控制訊號至該驅動器22以開啟該半導體開關單元21，使電流可以由半導體開關單元21通過，此時汲極-源極電壓V _DS由於導通而歸零，在到達參考電壓Vref的期間△T前，線性穩壓器10可以對電容11進行充電；由半導體開關單元21的汲極電壓-時間示意圖來看(中間圖)，由於觸發的時間很短，對於後端的負載裝置300而言幾乎不會有影響；由半導體開關單元21的閘極-源極電壓-時間示意圖來看(最下圖)，當該電壓回授控制電路23於偵測到該半導體開關單元21開啟超過預設時間T1時，該電壓回授控制電路23將執行第二種工作模式，輸出一第二控制訊號至該驅動器22以關閉該半導體開關單元21，此時導通電壓V _GS歸零，汲極-源極電壓V _DS則大致位於汲極電壓V _D的過零值上升段(如上圖及中圖所示)，完成一次週期。

如圖4所示，於該模擬波形示意圖中由上而下分別為半導體開關單元21的汲極-源極電壓-時間示意圖(縱軸為半導體開關單元21的汲極-源極電壓V _DS，橫軸為時間T)、半導體開關單元21的汲極電壓-時間示意圖(縱軸為半導體開關單元21的汲極電壓V _D，橫軸為時間T)、以及半導體開關單元21的閘極-源極電壓-時間示意圖(縱軸為半導體開關單元21的導通電壓V _GS，橫軸為時間T)。

於觸發工作狀態時，該控制器30將控制指令輸入至該編碼器40，經由該編碼器40轉換為對應的編碼以控制電壓上升段時間，由於上升段時間增加，汲極-源極電壓V _DS的最終到達電壓亦隨之上升，正常工作狀態時為30mV，於本實施態樣的觸發狀態則為60mV，於30mV至60mV的上升期間即為該控制器30輸出的延時訊號C _N，經由△T+C _N作為編碼，後端的微處理器即可以依據該等編碼經由解碼器進行解譯，獲得對應的控制指令。計時器233開啟該半導體開關單元21的預設時間配合延時的時間而縮短為預設時間T2。

綜上所述，本發明搭配簡易的單火線控制架構，可以於電源線上傳遞輔助控制訊息作為RF控制信號失效時之輔助，藉此增加系統穩定性。此外，本發明使用半導體開關單元進行切換，相較於傳統的三端雙向可控矽(TRIAC)或單向可控矽(SCR)，有著不需要維持電流的優勢，可以增加系統穩定度，且由於後級不需要流血電路，可進一步增加效率。此外，本發明使用半波方式相比於傳統架構而言，驅動電路較為簡單，且效率更為提升，且半波於負半周操作於同步整流區，比起外加半導體效率提升。

以上已將本發明做一詳細說明，惟以上所述者，僅惟本發明之一較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬本發明之專利涵蓋範圍內。