单火线设计系列文章专题（下）

在灯具开态过程中，开态取电电路需要给开关电路、无线通信SOC系统持续供电。在此期间，单火智能开关可能会进行搜网配网或OTA等工作模式，需要消耗更大的能量；当后端系统消耗功率比较大，该电路无法提供足够的电能时，单火智能开关则出现”宕机”现象，因此对开态取电电路的取电能力(即取电功率大小)提出了一定的要求。

在低功耗单火线智能开关工程应用中，我们可以通过下面列举一些常用手法来提高开态取电能力，避免在开态出现宕机的现象。

(1).在开关电路中选取低功耗的开关器件

建议选取磁保持继电器。磁保持继电器只需一次一定脉冲时间的电压电流激励即可维持继电器吸合、释放状态；而单稳态继电器则需要一直保持一定的电压电流才能维持继电器吸合状态；单稳态继电器的功耗相比磁保持继电器的高。

(2).选取超低功耗型运放、比较器等作为控制斩波器件，降低自身功耗。

低功耗型运放与通用型运放的静态电流功耗比较如下例：SGM8240(Iq=2.8uA)SGM8210(Iq=50uA)LM321(Iq=430uA)，故选取低功耗型器件，可降低自身供耗，从而提升带载能力。

(3).开态取电电路采用全波整流方式。交流电在正负半周期均可对取电电路进行充电，比半波整流提升一倍的取电能力，全波整流取电框图如下图所示：

由两个MOS管及两个整流二极管组成全波整流电路，在交流电正负半周期均可充电。

(4).开态取电工作原理属于分时取电，故可增大开态取电电路的取电时间来提高其取电能力。设计注意点：增大取电时间后，斩波电压被抬高，注意对稳压电路及后端电路的影响。

(5).制定合适单火线开关的无线通信SOC软件工作机制。在搜网配网或OTA等大功耗操作模式时，软件协议制定时序要求，在RF性能和功耗之间平衡。

(6).通过硬件、软件复位电路对无线通信SOC电路增加延时启动电路，防止取电初期，电压低供电不足导致宕机问题。延时启动电路设计思路可参考如下几种方法……

作为一款带联网功能的强电低功耗产品，软件与硬件的配合决定着各自的性能是否能发挥到极致，而这也体现在整机产品到客户手上使用时能否更加稳定地运行。本文列举软硬件联调的6个典型问题，若碰到类似情况，可以让你更快速地定位问题所在。

1.频繁按键操作导致宕机

原因：

a.按键的上拉电阻阻值太小，在按键按下时会消耗较多的电流；如100K的上拉电阻在按键按下时，直接接地，3.3V供电时，其电流为30uA，而一个zigbee模块在休眠状态下所消耗的功率可以调到仅为10uA不到；

b.按键操作让继电器同步响应，一个200mW继电器，5V供电时，一个动作切换需要消耗40mA电流，若频繁响应按键操作，则相当于不断地进行40mA的电流抽取。40mA对于开态、闭态的取电都是较大的电流损耗，容易造成电压下跌而宕机。

解决方法：

a.增大上拉或下拉电阻，由于弱上下拉，注意预留下拉电容、软件做消抖处理；

b.对按键做频繁开关的操作限制，如一个按键动作之后，300ms内不对按键做任何响应

2.开关自带记忆功能，上电即宕机

原因：

有些开关产品，在上电时会直接操作继电器，由于继电器消耗的电流几十mA，开关上电时由于电压建立尚未稳定，此时抽取几十mA的电流会让电压出现瞬间的下跌，造成系统工作异常。

解决方法：

开关上电时，固件做延迟动作的逻辑，如上电后3s内屏蔽任何大电流的操作（继电器操作、搜网等）

3.搜网情景下切换灯具状态时出现宕机

原因：

搜网状态下，以zigbee为例，通常联网模块所消耗的平均电流5mA，WiFi则更大。若由开态切换至闭态时，如果闭态供电能力较弱则容易出现电压跌落而导致宕机；

解决方法：

a.尽量在开态状态时才进行搜网动作；

b.搜网动作时，延长相邻信道搜索间隔时间、缩短单一信道搜索时间

4.OTA升级宕机

原因：

OTA状态下，以zigbee为例，通常联网模块所消耗的平均电流10mA，WiFi则更大。若由开态切换至闭态时，如果闭态供电能力较弱则容易出现电压跌落而导致宕机

解决方法：

OTA状态下，延长相邻信道搜索间隔时间、缩短单一信道搜索时间

5.两路开关，操作一路灯具时，另外一路灯具微亮或突闪

原因：

针对继电器方案，继电器切换过程中有10-20ms的切换时间，若起始状态为开关，在触点切换为闭态时，在触点尚未吸合到另外一个状态时，此时电流会从另一路负载流过，导致该路负载出现突闪问题……

相比零火开关，如果说单火开关有什么特殊的测试，那么该是灯具的兼容性测试、取电能力测试。其中，灯具兼容性测试反应单火开关闭态（灯具负载OFF）时对灯具的兼容效果，而取电能力测试则反应开关对各种大电流操作的稳定性能（如模块联网、继电器操作时的电能供给能力）。

交流群中有群友聊到“自家单火开关在3W灯时不闪，而且联网能力正常，而另外一家的开关不行”，其实单纯就一个功率的灯具实测性能有参考意义，但尚且不能代表整体性能。对于单火产品，不同功率、品牌的灯具所实测出的性能有可能是截然不同的效果。拿到竞品进行分析，当我们实测到其中一个性能较差的情况时，尚不能覆盖整体，毕竟这可能是竞品经过一番取舍之后所做出的折中。

本文介绍该两个测试项的测试方法，两项测试所得到的测试结果可以从数据的角度更加严谨地去衡量、对比单火开关产品。

灯具兼容性测试

灯具品牌

有些公司可能是地产开发商所一手投资扶持，其产品的目标客户端所使用的灯具在前装阶段时，灯具的品牌、功率范围则比较明确，故在测试阶段应着重考虑。而对于产品直接销售到C端的公司，用户所使用的灯具则有更多的不确定性，因此所做的测试应该覆盖更多的灯具品牌，可以到天猫、京东等平台上查看销售量排名前十的灯具厂家，该排名每年可能都会有所不同，需要留意更新。

灯具瓦数

由于低功率的灯具兼容性可能出现更多不良，因此，结合普通家庭通常所使用的灯具功率，所测试的灯具功率建议在3W-15W之间，且低瓦数的灯具尽可能占更多比例。

测试方法

使用阻性负载，实测闭态待机电流，在其他条件一致的条件下，理论上该电流越小，灯具兼容性越高。如：25W钨丝灯负载，闭态休眠电流，测试数据：35uA；

更换不同功率、品牌的灯具，记录灯具是否会出现闪烁、微亮、宕机等异常情况。如——

取电能力测试

灯具品牌、瓦数

该选型和前文所述“灯具兼容性测试”中的选型考量点一致。

测试方法

开态：更换不同的灯具，用电子负载替代联网模块或继电器的工作抽电电流，将电流逐步加大，直至所要供给联网模块或继电器的电压点跌落至最低阈值（联网模块或继电器最低工作电压），记录该电流值……

技术难点1：EMI问题探讨

EMI问题在单火智能开关中亦是棘手的问题，下面列举一些在单火智能开关EMI调试过程中的改善经验案例：

(一)、在灯具闭态条件下，EMI-传导测试中150K~2M频段有频点超标，一般原因为闭态取电电路的差模噪声较大。针对这类现象，可尝试如下方法进行改善：

(1).若通过增加X电容抑制差模噪声来优化EMI-传导性能，则X电容会导致闭态待机电流增大，对低功耗单火开关方案来说，该对策会恶化”鬼火”现象，一般不建议采取该对策；

(2).建议优化缩短火线L、灯线L1输入端到整流桥之前的PCBlayout走线，尽量避免输入端交叉走线；如下图粗红色输入走线所示；

(3).建议闭态取电电路中采用桥堆作为输入整流器件，缩短整流环路，尽量避免使用分立二极管搭建；

(4).闭态取电电路中输入大电容电路可预留LC或π型滤波电路作为EMI对策。

设计注意点：此对策器件选型、参数可能会对待机功耗有影响，调试过程中须留意待机电流的变化；

(二)、在灯具开态条件下，开态取电电路选取合适的GATE驱动电阻。

此GATE为低频开关信号，驱动电阻R4建议选取20~30K，让MOSFET开启更缓。若R4不够大或MOSFET的结电容偏小，EMI会比较差，可根据EMI情况调整。下图为驱动电阻R4电路图示以及不同驱动电阻R4阻值传导测试对比结果：

驱动电阻R4电路图示

不同驱动电阻R4阻值传导测试对比

技术难点2：支持大功率单火取电开关的探索

随着智能家居产品的多元化、多样化，市面上出现带触摸屏、语音交互、音乐、网关等更多功能的智能开关产品，这类智能开关产品的功耗都在5V/0.5A以上，且基本上都是采用零火线供电方案，传统单火取电方案不能满足需求。为满足这类产品可直接应用在单火线布线场景中，需要开发一款可以支持大功率取电的单火开关……

拓展应用：单火开关实现双控

双控开关在家装里面被广泛应用到，通过两个开关在不同的位置可以控制同一个灯或者电器设备，给生活带来更便捷、人性化的使用体验。常见双控开关应用的场景，例如：在楼道的楼上和楼下安装双控开关、卧室门口和床头安装双控开关等。

传统单开双控机械开关接线和工作原理如下，在火线和灯线之间串联两个独立的单刀双掷开关；在任意时刻拨动其中一个开关，线路连接状态都会被改变（即连通和断开），实现了通过任何一个开关均可控制灯泡打开和关闭，即双控。

此前章节讲到智能开关在智能家居得到广泛应用，针对单火应用场景，单火智能开关需解决实现双控功能来满足用户对双控功能的需求。下述列举几种单火开关在工程化设计中实现双控的解决办法：

(说明：下列举例的某些方案或技术属于现有专利范畴，在产品及工程化设计中需规避；本文仅提供解决思路参考)

一、单火智能开关+无线遥控开关+无线网关

通过单火智能开关、无线遥控开关、无线网关搭配组合，实现双控功能。单火智能开关按照单火开关接线即可实现灯控，无线网关将单火智能开关、无线遥控开关组网配置，可实现双控联动。该方案的产品使用注意点：无线遥控开关组网后需要在APP配置、绑定智能开关，才可联动使用。

二、单火智能开关+轻触开关/回弹开关(常闭)/凌动/灵动开关

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