一种新型智能插座的设计

安晋彤

（西安邮电大学陕西西安710121）

对于带有适配器的家用电器，如显示器、笔记本电脑、充电器等，随着设备增多，适配器损耗现象就表现的过于突出[1]。而且，由于适配器中常配有庞大沉重的变压器，携带起来十分不便。本设计将原有的适配器—电器配对关系打断，将所有连接到插座上的电器经统一的变压-整流-稳压后，通过程控电源组和MCU智能选择的电流通路向用电器供电。同时以低功耗单片机作为处理核心保障设备运行平稳安全，从而达到高效、智能、快速的目的。

1 系统综述

本设计以低功耗单片机为核心，辅之以变压整流网络、程控电源组、场效应管通流阵列及反馈监控系统，系统网络如图1所示。

图1 系统网络示意图

用电器未接入时，插座默认关闭市电的接入以保证系统和人员安全。当终端设备接入时，核心MCU通过信号交换接口与终端设备进行通信，获取设备所需电压、电流和最大功率等信息，然后接入市电，经变压、整流、稳压一系列操作后输出恒定的直流电压。将此电压作为程控电源组的输入，以用电器所需电压为标杆调节程控电源组某输出节点的电压，并智能分配连通场效应管通流阵列，将输出直流电压接入正确的插头。与此同时，反馈监控系统监视输入输出电参数，确保插座和用电器的安全使用。

同样，本插座也可以通过相同的接口和协议，经上一级智能插座连接更高级服务器，上传各种信息，用来向物联网方向进行扩展。

2 信号交换接口

2.1 外形结构

用电器与插座之间应使用相同的接口以保证信号交换的稳定性与准确性。为简单起见，除在插接头中间加入信号交换接口外，插座基本要求仍遵守GB2099.3-2008[2]和GB1002-2008[3]的规定。所设计的插座与用电器插头结构如图2所示。

图2 插头与插座外形

图中插座上突出的方形块为信号交换头（公头），插头上凹下的方形槽为信号交换槽（母头）。当插头插入时，公母头恰好合体，构成数据交换通路。

2.2 接口构造

信号交换头截面图如图3（a）所示。

图3 信号交换头截面图与俯视图

当用户插上用电器插头时，电极P1会向下按压插座底部的T1。同时T1所在的杠杆围绕支点O转动，从而推动插接头P2弹出。此时插座插头完全合体，P2恰好插入信号交换槽中。信号头上的电极与插头中的簧片S2相触碰，保证电极接触稳定性。当用户拔下插头时，T1所在杠杆在弹簧J的拉动下复位，信号交换头P2收回。当没有用电器接入时，信号交换头自动收入，从而保护电极不被损坏。

信号交换头俯视图如图3（b）所示，信号头的四周都有电极。按照“左零右火”的原则[3]，公头的左右两侧分别为公共地和5 V电压，以供母头内芯片的使用。上下两侧分别为“用电器→插座”的回馈信号引脚Pin和“插座→用电器”的命令信号引脚Pout。

2.3 通信协议

所设计通信协议格式如下：

3-bits PRV 12-bits DATA 1-bit CHK

一组数据共16位，头3位为信号的优先级（优先级见表1），中间12位为信号本体，末1位为奇偶校验位[4]，采用串行全双工通信。在插座或用电器识别芯片接收串行信息时，首先检测优先级。若有高优先级信号传入，则立刻放弃当前任务，转而去执行所请求的任务。

表1 信号优先级

当插头插下后，首先由公头向母头内的识别芯片供电，插座向识别芯片发送“中优先级”的设备识别码请求命令，等待用电器识别芯片反馈后，插座MCU读取其中的额定电压、电流、功率值，调整程控电源组、通流阵列和反馈监控系统的设置，使其适应所插入的用电器。待调整完成后，再向用电器供电。接收到用电器反馈“用电器接通”信号后，系统进入正常监视工作状态。当反馈监视系统发现有触电、过压等情形出现，或识别芯片上报用电器运转不正常时，插座将启动应急预案，即刻关闭用电器的供电，同时上报消息到高一级服务器。当用户通过移动终端设备查看电器的状态时，插座将通过问询识别芯片的方式获得需要的信息，并反馈回服务器、告知用户[5]。为了确保用电器正常运转，需要每隔一定时间发送低优先级的例行检查命令，若插座接收到特定的一组消息，则可确定设备运转正常，未出现死机情况。

3 变压整流电路设计

本模块为插座系统与市电的唯一接口，因此需要额外注意电气隔离，如图4所示。

图4 变压-整流-稳压电路

在将220 V市电降压到安全电压后，使用同步整流的方法可以获得比桥式整流更小的功率损耗[6]。在经电容简单滤波后，使用降压芯片可以获得较稳定的恒压输出Vs，例如德州仪器公司的LM5117[7]、TPS54561[8]等。此电压为后级程控电源组的输入电压，即为用电器的“源电压”，因此要特别注意其EMI、散热和纹波等特性，保证在功率允许范围内获得可靠、稳定的恒压输出。

4 程控电源设计

一个排插上不止一组插座，因此涉及到多组程控电源之间的连接关系。大体上，按照组合方式的不同可将电源组划分成并联式、串联式和串并混合式电源组，如图5所示。

图5 3种电源组合方式

4.1 并联式电源组

如图5（a），此种组合方式可以承载较大的负载功率，但是由于各个分电源输出特性之间的差异，导致一些电源承载电流过大而其他电源输出电流过小，增加电源组损坏的几率，甚至增加用电器损坏的几率[9]。而且，当用电器需要较小电压时，Buck拓扑中所需要的开关信号占空比就很小。有些低功耗单片机为了达到节能的目的而降低了主频[10]，此时若开关信号频率过大，则有可能无法送入驱动管正确的占空比信号。

4.2 串联式电源组

如图5（b），虽然串联组合方式可以达到均流，但是当电流过大而烧坏某个分电源时，整个电源组就无法工作了。而且电源串联组合会致使开关电源输出纹波电压的累积，引发最终输出电压极不稳定。因此，此种组合方式只适合输出电流较小且分电源较少的场合，对于通用的场合并不适用。

4.3 串并混合式电源组

如图5（c），为承载较大的功率，先使用并联法将电源分成若干组，再在各组内串联电源。这样均衡了串联式和并联式两种组合方式的优势，既可以承载较大功率又不必担心某分电源损坏导致电源组整体都无法使用。

综上所述，在本设计中采用串并混合式电源组，如图6所示。

图6 程控电源组电路图

各分组均使用Buck拓扑[11]，电源组V1与V2串联，再与V3、V4组合并联。利用MCU计算和输出特定占空比的高频开关信号到S1～S4，FB1～FB4作为反馈端口将输出口电参数返回MCU，完成闭环稳恒电压输出。

5 场效应管流通阵列

由于程控电源组的组合方式，导致插座实际输出电压与电源组的配对是随机的。因此需要一个可编程的场效应管通流阵列，将插座输出口与电源输出电压相配对。现以二阶通流阵列为例进行说明，如图7所示。

图7 二阶场效应管流通阵列

经实验可得，通常情况下当插座数与电源组输出端口数都为N时，通流阵列为N×（N-1）×（N-1）的长方体。如图7（b），其中通路为各个场效应管的漏源通路，并将每个管的栅极引出作为控制端。在MCU的控制下，智能地分配各个管子导通与关断，形成从电源组输出电压P1、P2到插座头V1、V2之间的电流通路。

本设计可以通过MCU选择合适的通路，与固定电源组输出电压-插座头配对关系相比操作更加灵活。某些功率电器，如热水壶等无需供给直流电[12]，因此可以通过MCU检测控制通流阵列直接连接市电和用电器。在固定配对关系中，一旦某条输出线损坏，则意味着插座头与该电源组输出口均无法再次使用，造成器件的闲置与资源的浪费。而在动态的配对关系（通流阵列）中，若某场管烧毁，则可以通过MCU检测出来并在选择通路时加以屏蔽。这样一来，既可以保证电路安全又可以增加插座的使用寿命。而且，由于通流阵列为立体结构，因此有足够的空间配备散热片，减小阵列烧毁的可能性。

6 反馈监控系统

插座在使用过程中，由于人为和自然因素，或多或少会出现过流、过压等极限状况，此时就需要插座进行应急响应，以确保用户的生命和财产安全。反馈监控系统在此系统中需要做到快速、高效。所谓快速，即是在出现极限情况时要快迅速进行响应，通知MCU采取有关应急措施；而高效是指在未出现紧急情况时，监控系统应保持低功耗运行状态，减少能量的额外浪费。

触电是常见的紧急状况，应当单独配置防触电装置进行快速响应[13]。当例行检查无响应或识别芯片上报用电器运转不正常时，应首先通报MCU，MCU根据问题的急迫性采取相应的措施，如降压、限流或关闭供电等。与此同时，还应注意如雷电之类的自然破坏因素对设备的影响，在内部电路中设置阻感衰减网络或独立的过压快速响应装置以减小瞬时高压对系统的破坏冲击[14]，在外部也应增强外壳的绝缘强度，降低接地电阻等[15]，以避免雷电对插座和用电器的损坏。

7 结束语

综上，将市电经统一的变压-整流-稳压后，通过程控电源组和MCU[16-17]智能选择的电流通路向用电器供电可以减小用电器独自变压-整流引起的功率损耗，增加插线板的使用寿命。并且在设计中，所有模块均以MCU为核心，在使用更加智能化的同时，增加了设备的可扩展性。

[1]安森美半导体.基于笔记本及打印机电源适配器等应用的超低待机能耗方案[J].电源世界，2014（6）：52-55.

[2]中国电器工业协会.GB2099.3-2008.家用和类似用途插头插座第二部分：转换器的特殊要求[S].北京：中国标准出版社，2009.

[3]中国电器工业协会.GB1002-2008.家用和类似用途单相插头插座型式、基本参数和尺寸[S].北京：中国标准出版社，2009.

[4]袁春风.计算机组成与系统结构[M].2版.北京：清华大学出版社，2015.

[5]陈海旺，张振娟，黄明.智能家居中无线智能插座系统设计[J].电视技术，2013，37（21）：80-83.

[6]王斌，邰永红，杨郑浩.低压大电流高效率同步整流BUCK变换器的分析与设计[J].航空电子技术，2013，44（2）：42-47.

[7]德州仪器.LM5117带有模拟电流监视器的65V宽输入电压同步降压控制器[EB/OL].[2016-08-10].http：//www.ti.com.cn/product/cn/LM5117.

[8]德州仪器.TPS54561具有Eco-mode的60V输入，3.5A，降压DC-DC转换器[EB/OL].[2016-08-10].http：//www.ti.com.cn/product/cn/TPS54561.

[9]姚融融，李纲园.基于开关稳压电源与开关稳流电源并联系统的设计[J].工业仪表与自动化装置，2014（6）：43-46.

[10]杨保龙.有关单片机低功耗技术分析[J].科技风，2015（19）：90.

[11]周洁敏.开关电源理论及设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2012.

[12]Matthew N.O.Sadiku，Sarhan M.Musa，Charles K.Alexander.应用电路分析[M].北京：机械工业出版社，2014.

[13]张难.一种触电漏电保护装置的硬件设计[J].电工电气，2012（10）：17-20.

[14]曹晓斌，易志兴，陈奎，等.高速铁路馈线电缆雷电过压及防护措施[J].高电压技术，2016，42（2）：619-626.

[15]曾嵘，周旋，王泽众，等.国际防雷研究进展及前沿述评[J].高电压技术，2015，41（1）：1-13.

[16]叶飞，董玉德，杨先龙，等.一种基于MCU的便携式粮食水分检测仪的设计[J].西安工程大学学报，2014（3）：288-292.

[17]肖石，刘毅力，赵辉，等.基于P89C664的人机接口面板设计与实现[J].西安工程大学学报，2016（1）：124-130.