一种单火线取电芯片的制作方法

本发明属于取电芯片技术领域，涉及一种单火线取电芯片。

背景技术：

在智能家居控制系统中，现在市面上的单火线产品，通过测试结果显示存在以下不足：给后端无线模块供电不足，存在不能接大负载等问题，如zigbee无线芯片在数据收发瞬间，需要电流大于30mA，市面上的无线单火线产品适用于433/315等只需要很小的电流（几百微安到几毫安）就能工作的无线技术，不能应用于zigbee芯片的单火线工作。目前很多的应用场景中只有一根火线。传统的开关电源芯片都是需要零线和火线输入的，已经不能满足此种应用场景。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种单火线取电芯片，本发明方案针对输入为单根火线的应用情况，用精确的数字逻辑控制，实现稳定的直流输出电压。

为了解决以上技术问题，本发明提供一种单火线取电芯片，取电芯片包括数字锁相环、供电电路、状态机、比较器、带隙基准电路和振荡器电路，数字锁相环接收外部输入信号并连接状态机和比较器，比较器外接电源VCC且连接带隙基准电路和状态机，带隙基准电路连接振荡器电路，振荡器电路连接状态机，状态机连接供电电路并输出信号。

本发明进一步限定的技术方案是：

前述比较器包括比较器1、比较器2、比较器3和比较器4，数字锁相环、比较器1和比较器2组成过零检测电路，比较器3用于判断外接电源VCC是否正常，比较器4用于判断系统电压是否过压，带隙基准电路提供取电芯片内部的基准电压及4个比较器的比较电压基准。

前述输入信号包括输入信号IN1和输入信号IN2，输入信号IN1连接比较器1的同相输入端和N沟mos管NMOS1的D极，输入信号IN2连接比较器2的同相输入端和N沟mos管NMOS2的D极，NMOS1的S极和NMOS2的S极接入地信号；比较器1和比较器2的输出端均连接数字锁相环，数字锁相环连接状态机；比较器1和比较器2的反相输入端均连接带隙基准电路；外接电源VCC连接比较器3和比较器4的同相输入端，比较器3和比较器4的输出端均连接状态机，两者的反相输入端连接带隙基准电路；带隙基准电路串联振荡器电路并连接状态机；状态机连接供电电路并输出信号，且状态机还连接NMOS1和NMOS2的G极。

NMOS1和NMOS2用作下拉，仅在需要检测期间下拉提供稳定的电压。检测到过零点后既释放。这样不会有一路一直在充电期间耗电，可以降低芯片功耗。

进一步的，

前述输出信号包括输出信号OUT1和输出信号OUT2。

前述输入信号IN1和输入信号IN2分别连接火线输入端和火线输出端。

前述状态机为芯片的控制系统，由状态寄存器和组合逻辑电路构成，用来对进入状态机的模拟信号进行处理。

前述状态机的功能分包括两部分：一是对芯片上电瞬间的控制，称为主状态机；二是对芯片正常工作后的控制，称为数字控制状态机。

本发明的有益效果是：

本发明设计的芯片可以从单根火线中取出稳定的直流电，芯片内部即可完成所有的逻辑运算，大大简化了外围器件，从而简化了单火线取电电路，且内置智能数字化过零检测电路，可以自动调节电网波动，并通过智能逻辑运算以及错误防护，保证主电路的稳定运行，同时将取电电路中的关键控制点设计的更加精确，使得系统稳定性和可靠性大大提高；利用芯片化的设计方法，使得取电系统的功耗极低，片消耗电流小于1mA，极大的提高了芯片的使用环境，提高取电效率。

附图说明

图1为本发明的电路原理图；

图2为本发明的电路图；

图3为芯片主工作逻辑图；

图4为芯片数字控制流程图；

图5为芯片应用电路图。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供一种单火线取电芯片，如图1所示，取电芯片包括数字锁相环、供电电路、状态机、比较器、带隙基准电路和振荡器电路，数字锁相环接收外部输入信号并连接状态机和比较器，比较器外接电源VCC且连接带隙基准电路和状态机，带隙基准电路连接振荡器电路，振荡器电路连接状态机，状态机连接供电电路并输出信号。

如图2所示，前述比较器包括比较器1、比较器2、比较器3和比较器4，数字锁相环、比较器1和比较器2组成过零检测电路，比较器3用于判断外接电源VCC电压值是否正常，比较器4用于判断系统电压是否过压，带隙基准电路提供取电芯片内部的基准电压及4个比较器的比较电压基准。

前述输入信号包括输入信号IN1和输入信号IN2，输入信号IN1连接比较器1的同相输入端和N沟mos管NMOS1的D极，输入信号IN2连接比较器2的同相输入端和N沟mos管NMOS2的D极，NMOS1的S极和NMOS2的S极接入地信号；比较器1和比较器2的输出端均连接数字锁相环，数字锁相环连接状态机；比较器1和比较器2的反相输入端均连接带隙基准电路；外接电源VCC连接比较器3和比较器4的同相输入端，比较器3和比较器4的输出端均连接状态机，两者的反相输入端连接带隙基准电路；带隙基准电路串联振荡器电路并连接状态机；状态机连接供电电路并输出信号，且状态机还连接NMOS1和NMOS2的G极。

前述输出信号包括输出信号OUT1和输出信号OUT2；前述输入信号IN1和输入信号IN2分别连接火线输入端和火线输出端；前述状态机为芯片的控制系统，由状态寄存器和组合逻辑电路构成，用来对进入状态机的模拟信号进行处理；前述状态机的功能分包括两部分：一是对芯片上电瞬间的控制，称为主状态机；二是对芯片正常工作后的控制，称为数字控制状态机。

如图3、图5所示，在主状态机状态下，应用方法如下：

刚上电时，系统由上电控制电路（Q1、Q2、D1、D2）直接控制，在电源VCC的电压低于控制电压时，OUT1和OUT2输出低，使MOSQ1，Q2管关闭，给输出电容C9充电；而在电源电压高于控制电压的时候输出高，开启MOS管，停止给输出电容充电，输出电压降低后再给输出电容充电，如此反复直至芯片内部的基准产生电路稳定工作400us后转由数字控制，其中启动约10us；数字状态机工作以后首先会查找电流过零点，随后通过数字锁相环逐步跟踪电流过零点，之后在每个过零点前关闭相应的MOS管Q1或Q2，在过零点后检测到电压到达控制电压时再开启MOS管Q，停止给输出电容C9充电；在任何时候因为任何异常出现电源电压高于控制电压的16%时，系统将会直接使OUT1和OUT2输出高，使MOSQ1和Q2管导通，停止给输出电容C9的充电，并且该电压持续超过30us后，系统为防止控制部分输出锁死会将数字控制部分复位；到达控制电压时再开启MOS管Q1或者Q2，停止给输出电容C9充电。

如图4所示，数字控制状态机状态下，应用方法如下：

数字控制状态机有两路，由于结构对称，使用同样的两个控制状态机分别控制Live，Load两端；当上电复位时，状态机归到空闲状态；当过压保护信号稳定30us后，为了防止状态机锁死在某一状态造成电压过高，将状态机清零；当周期计数值异常（30ms内未发现过零点）时，由于不知道发生什么情况，将状态机清零；此种情况多发生在插头松动，即采样不到过零信号，但是由于系统中电容较大，电压并没有掉到复位电压以下；上电控制未完成，即基准产生电路正常工作后未满400us，电压控制权未移交给数字控制模块，所以该状态机保持空闲状态；当上电控制电路把电压控制权移交给数字控制电路后，数字控制电路打开MOSQ1和Q2管100us以冲高MOSQ1和Q2管栅极电压，防止上电电容负载时冲击电流过大造成电压过高；当检测到电压已经低于控制电压后，关闭MOSQ1和Q2管；关闭后看输入电压，如果为高，说明此时已经在充电周期，没有在过零点打开，当电压冲到后即打开MOSQ1和Q2管，延时7.5ms后再次尝试；如果为低，则说明还未到过零点；此时等待输入翻转，找到第一个过零点；当找到第一个过零点后，等待电压冲到，电压冲到后，关闭MOSQ1和Q2管，再等到周期计数值到达时，再次关闭MOSQ1和Q2管。

Q3、C2、R5、R8、D3、R9、R10、D4及D5组成芯片上电保护电路，当VCC超过设定的过压值时，三极管Q3导通，强制将mos管Q1、Q2栅极电压充高，使得Q1、Q2导通，VCC电压下降,以保护芯片，避免上电瞬间芯片电源电压充高，破坏芯片。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。