一种基于过零检测的功率控制电路及方法与流程

本发明涉及电子技术领域，具体而言，涉及一种基于过零检测的功率控制电路及方法。

背景技术：

现有技术中，对加热器具异常时进行控制的方法有很多，例如单纯通过ntc传感器检测加热器具温度，并期望在温度异常时能够对加热电路进行及时有效地保护，但是这种方式由于ntc传感器自身反应速度慢，并不能达到对加热器具及时有效保护的效果。

现有技术中，通过过零检测、温控开关、微控制单元(microcontrollerunit，mcu)结合的方式，实现对加热器具的功能控制及保护，但是这种方式没有考虑在温控器异常时如何断电复位的问题，不符合iec安规认证要求，也没有考虑元器件的复用，从而节约成本的问题。

因此，现有技术中基于过零检测的功率控制电路至少存在温控器异常时如何断电复位及如何复用元器件以节约成本等问题。

技术实现要素：

针对以上问题，本发明提出一种基于过零检测的功率控制电路，其通过检测的过零信号动态控制功率开关，使得功率开关既能够在发热器具正常时控制加热器具正常工作，也能够在电路异常时对加热器具进行保护，从而实现功率开关的复用，节约了成本。本发明引入断电复位限温器解决现有技术中未涉及断电复位的问题，进一步提升了电路的安全性。

本发明提供了一种基于过零检测的功率控制电路，包括微控制单元及加热器件，其特征在于，所述电路还包括：

断电复位限温器，其两端分别连接火线和加热器件，所述断电复位限温器由并联的温度开关和ptc电阻组成；

功率开关，分别连接零线、加热器件和所述微控制单元；

过零检测电路，其输入端分别连接所述加热器件及所述断电复位限温器，其输出端连接所述微控制单元，所述过零检测电路用于检测过零信号check并提供给微控制单元；

微控制单元，判断所述过零信号的持续时间t1是否大于等于预设阈值t1，如果为否，则发送开关闭合信号控制所述功率开关持续闭合。

进一步地，所述微控制单元，在发送开关闭合信号控制所述功率开关持续闭合之后，判断在预定时长内是否检测到所述过零信号且所述过零信号持续时间t2是否大于等于预设阈值t2，如果在预定时长内存在所述过零信号且所述过零信号持续时间t2大于等于t2，则发送开关驱动信号控制所述功率开关间断闭合。

进一步地，所述微控制单元，判断所述过零信号的持续时间t1是否大于等于预设阈值t1，如果是，则发送开关驱动信号控制所述功率开关间断闭合。

进一步地，所述微控制单元在交流电过零处向所述功率开关发送间断闭合的驱动信号。

进一步地，还包括报警单元，所述微控制单元，在发送开关闭合信号控制所述功率开关持续闭合之后，判断在预定时长内是否检测到所述过零信号且所述过零信号持续时间t2是否大于等于预设阈值t2，如果在预定时长内未存在所述过零信号，或者在预定时长内存在所述过零信号且所述过零信号持续时间t2小于预设阈值t2，则发送报警信号至报警单元。

进一步地，所述微控制单元，在发送报警信号之后，判断所述过零信号的持续时间t1是否大于等于预设阈值t1，如果为是，则发送开关断开信号至所述功率开关。

进一步地，所述微控制单元，在所述功率开关断开之后，执行断电复位。

进一步地，所述微控制单元，在发送报警信号之后，判断所述过零信号的持续时间t1是否大于等于预设阈值t1，如果为否，则发送开关持续闭合信号至所述功率开关。

进一步地，所述控制电路还包括热熔断体，所述热熔断体连接在所述零线和所述功率开关之间。

进一步地，所述断电复位限温器、热熔断体以及发热器件设置在同一个发热器件支架上。

本发明还提供了一种功率控制方法，其应用于基于过零检测的功率控制电路，所述功率控制方法包括：

判断所述过零信号的持续时间t1是否大于等于预设阈值t1，如果为否，则发送开关闭合信号控制所述功率开关持续闭合。

进一步地，在发送开关闭合信号控制所述功率开关持续闭合之后，判断在预定时长内是否检测到所述过零信号且所述过零信号持续时间t2是否大于等于预设阈值t2，如果在预定时长内存在所述过零信号且所述过零信号持续时间t2大于等于t2，则发送开关驱动信号控制所述功率开关间断闭合。

进一步地，判断所述过零信号的持续时间t1是否大于等于预设阈值t1，如果是，则发送开关驱动信号控制所述功率开关间断闭合。

进一步地，所述微控制单元在交流电过零处向所述功率开关发送间断闭合的驱动信号。

进一步地，在发送开关闭合信号控制所述功率开关持续闭合之后，判断在预定时长内是否检测到所述过零信号且所述过零信号持续时间t2是否大于等于预设阈值t2，如果在预定时长内未存在所述过零信号，或者在预定时长内存在所述过零信号且所述过零信号持续时间t2小于预设阈值t2，则发送报警信号至报警单元。

进一步地，在发送报警信号之后，判断所述过零信号的持续时间t1是否大于等于预设阈值t1，如果为是，则发送开关断开信号至所述功率开关。

进一步地，在所述功率开关断开之后，执行断电复位。

进一步地，在发送报警信号之后，判断所述过零信号的持续时间t1是否大于等于预设阈值t1，如果为否，则发送开关持续闭合信号至所述功率开关。

本发明上述实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本发明的技术方案通过过零信号的判断触发微控制单元发送不同的驱动信号控制功率开关间断工作或持续工作，从而实现功率开关的复用，在一定程度上节约产品的成本；本发明还通过多次判断过零信号排查限温器故障所致的异常，并在限温器出现异常故障的情况下，能够通过软件控制整机断电复位，提高了加热器具的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为基于过零检测的功率控制电路实施例一的结构示意图；

图2为断电复位限温器的电路图；

图3为基于过零检测的功率控制电路实施例一的电路图；

图4为基于过零检测的功率控制电路实施例二的结构示意图；

图5为基于过零检测的功率控制电路实施例二的电路图；

图6为限温器、热熔断体安装示意图；

图7为过零信号波形示意图；

图8为功率开关两端的电压波形示意图；

图9为功率控制方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式进一步地详细描述。

图1是本发明一实施例提供的一种基于过零检测的功率控制电路的结构示意图。如图1所示，该电路包括微控制单元及加热器件等；还包括，

断电复位限温器，分别连接火线(acl)和加热器件；

功率开关，分别连接零线(acn)、加热器件和微控制单元(即mcu单元)；

过零检测电路，其输入端分别连接所述加热器件及所述断电复位限温器，其输出端连接所述微控制单元；

微控制单元，分别连接过零检测电路、功率开关及报警电路，所述微控制单元，判断所述过零信号的持续时间t1是否大于等于预设阈值t1，如果为否，则发送开关闭合信号控制所述功率开关持续闭合。

其中，断电复位限温器的电路结构，如图2所示，所述断电复位限温器包括并联的温度开关k1和ptc电阻r1。该断电复位限温器工作原理为：当限温器正常工作时，温度开关k1闭合，ptc电阻被短路不工作；当限温器工作异常时，由于温度升高，温度开关k1断开，ptc电阻接入，电流通过ptc电阻形成回路，使得电路一直保持断开状态。当关闭总电源，温度下降至预定恢复温度时，温度开关迅速恢复闭合。在电路中使用符合安全法规定的温度控制器，能够在温度过热或出现干烧过热情况时，必须断电后才能复位工作，即断电复位限温器在小家电产品中应用，能够实现整机过热后无法再次开机工作,必须断电复位。对于限温器的基本参数，如额定动作温度、恢复温度、额定电压、额定电流等，本领域通常会在正常应用范围内选取，如额定动作温度比较高，一般100℃以上，恢复温度比较低，一般只有几十度，范围比较大，例如恢复温度为40℃～60℃。

本发明的上述实施例，微控制单元，通过判断所述过零检测电路输出的所述过零信号是否正常，产生不同的驱动信号。而功率开关根据mcu单元发出的驱动信号相应地执行间断闭合，或持续闭合，或断开，实现了功率开关的复用。

本发明的上述实施例，具体电路的工作原理如图3所示，acl和can分别为交流电l线、n线输入。限温器(即断电复位限温器)分别与acl、发热器件heater、过零检测电路连接，其中，check为过零检测电路的输入。过零检测电路要求输入电阻很大，要求过零检测电路与发热器件并联后电阻约等于发热器件的电阻。电路中具体参数均可以根据实际情况调整。功率开关tr1分别与acn、mcu单元连接，mcu单元通过发出heat信号(即驱动信号)对功率开关tr1进行控制。

本发明的上述实施例，在check信号(即过零信号)判断为正常情况下，mcu单元向功率开关tr1发送heat信号(此时的heat信号定义为开关驱动信号)，所述开关驱动信号控制所述功率开关间断闭合，使得本实施例中的加热器件heater正常工作。

其中，mcu单元控制所述功率开关tr1间断闭合是指mcu单元根据开关驱动信号控制功率开关的开通关断，从而精确控制加热功率。

在一个或多个可选的实施例中，可以采用斩波、控制开通周期、在过零处对所述功率开关进行通断控制等方式。优选地，在过零处进行所述功率开关的通断控制，这种方式可以减少开关功率损耗和电磁干扰的影响，精确控制加热功率。

本发明的上述实施例，在check信号(即过零信号)判断为异常的情况下，所述mcu单元向功率开关tr1发送heat信号(此时heat信号定义为开关闭合信号)，所述开关闭合信号控制所述功率开关持续闭合。在所述mcu单元判断所述check信号为异常后，所述mcu单元控制所述功率开关tr1持续闭合，从而使电路中所述发热器件heater持续加热。当所述发热器件heater持续加热至电路温度升至限温器的额定动作温度，迫使限温器的温度开关k1呈断开状态，ptc电阻接入电路。此时，ptc电阻与发热器件共同维持限温器的断开状态，通过限温器的ptc电阻对发热器件进行保护，提高了电路的安全性。

本发明的上述实施例，判断check信号(即过零信号)是否正常是通过判断过零信号持续时间t1是否大于等于预设阈值t1来实现的。如果判断为是，则为正常；否则，判断过零信号为异常。

其中，对于预设阈值t1的设置，是为避免mcu单元发生误判优选的。可根据交流电的频率、周期设置。例如，交流电频率为50/60hz，每个周期20ms/16.7ms，则预设阈值t1只需要大于过零信号的周期即可。如图7所示，mcu单元获取的过零信号一般与整机交流电输入周期、开始时间、反转时间和结束时间一致。

在一个可选的实施例中，以50hz为例，限定0.1s内有50个完整的过零方波信号。对于0.1s时间限制设置，通过多次检测过零信号，可避免mcu单元误判。

在一个可选的实施例中，功率开关tr1可选择可控硅，也可以选择绝缘栅双极型晶体管igbt、mos管、功率三极管等其它开关元件。

本发明的上述实施例，在check信号(即过零信号)判断为异常的情况下，进一步设置预定时长，并在预定时长内对check信号进行检测再次判断。所述预定时长例如可以为5s。具体是通过判断在预定时长内是否检测到所述check信号且所述check信号持续时间t2是否大于等于预设阈值t2。如果在预定时长内存在所述check信号且所述check信号持续时间t2大于等于预设阈值t2，则发送所述开关驱动信号控制所述功率开关tr1间断闭合。对于预设阈值t2的选取参考预设阈值t1的方式，例如t2设定为0.5s。。mcu单元重新触发功率开关tr1按照开关驱动信号间断闭合，使得加热器件heater正常工作。通过二次检测过零信号排查故障原因，提高电路的工作效率。

本发明的上述实施例，如果在预定时长内未存在所述check信号，或者在预定时长内存在所述check信号且所述check信号持续时间t2小于预设阈值t2，则发送报警信号至报警单元，此时功率开关tr1仍处于持续闭合状态。由于过零检测电路输入电阻很大，发热器件heater与其并联后，约等于发热器件heater电阻。发热器件heater与ptc电阻r1进行分压，因为ptc电阻r1远大于发热器件heater电阻，发热器件heater分到的电压较低，过零检测电路将会检测到异常过零信号。ptc电阻r1将持续发热维持温度开关断开状态，发热器件heater也同时发热共同使其无法达到限温器的恢复温度上限值。从而实现对发热器件heater的保护。

本发明的上述实施例，mcu单元发送报警信号至报警单元，以提示使用者排除故障，例如报警器包括语音报警单元，用于发出提示音或播放预存的语音内容进行报警；例如，报警器包括led单元，用于发光报警，如发出预设颜色的光线进行报警；例如，报警器包括无线通信单元，用于与用户设备建立无线连接，通过无线连接向用户设备发送报警信息。无线通信单元包括wifi单元、蓝牙单元、nfc单元或者zigbee单元中至少一种。

本发明的上述实施例，在发送报警信号之后，判断所述check信号的持续时间t1是否大于等于预设阈值t1。如果判断为是，则发送开关断开信号至所述功率开关。

此时，对过零信号进行判断的作用在于排查限温器是否存在异常复位，如果是存在异常复位，则mcu单元向功率开关tr1发送heat信号(此时heat信号定义为开关断开信号)，功率开关tr1根据开关断开信号断开。由于限温器异常复位，导致发热器件heater仍旧处于持续加热工作状态，为进一步保护电路，可以通过软件逻辑控制整机断电，从而保护加热器件，提升电路的安全性。

如果判断为否，则表示电路没有限温器异常复位，则整机通过断电复位。

在一个可选的实施例中，如图4所示，所述电路还包括热熔断体，所述热熔断体连接在所述零线和所述功率开关之间。具体工作原理如图5所示的电路结构，当发热器件heater异常工作，导致温度达到热熔断体的熔断温度时，则热熔断体将断开切断电源，使得整个电路与零线断开连接，迫使加热器件heater停止加热，从而实现对控制电路的保护。

在一个可选的实施例中，如图6所示，限温器2、热熔断体3以及发热器件4设置在同一个发热器件支架1上，实现限温器2、热熔断体3以及发热器件4的紧密安装，能够对发热器件的温度进行有效及时地反应，从而提高温度的反应速度。

通过上述实施例，利用过零信号的判断触发微控制单元发送不同的驱动信号控制功率开关间断工作或持续工作，从而实现了功率开关的复用。通过多次判断过零信号排查限温器故障所致的异常，并在限温器出现异常故障的情况下，能够通过软件控制整机断电复位，进一步提高了加热器具的安全性。

图9是本发明实施例提供的一种功率控制方法的流程图，该方法可以通过上述实施例中基于过零检测的功率控制电路来实现。该电路中各元器件的电路连接关系如图2和图5所示。

如图9所示，所述功率控制方法包括：

开始时，过零检测电路检测过零信号是否正常并将判断结果发送至mcu单元。

步骤s901，判断过零信号是否正常。其中，判断过零信号是否正常是通过判断过零信号持续时间t1是否大于等于预设阈值t1来实现的。

在步骤s901中，如果判断为是，则为正常，继续步骤s902；否则，判断过零信号为异常,继续步骤s906。判断异常的处理方式为：判断所述过零信号的持续时间t1是否大于等于预设阈值t1，如果为否，则mcu发送开关闭合信号控制所述功率开关持续闭合。通过过零信号控制功率开关持续或间断工作，使得功率开关既是发热器具正常工作时的开关，又是工作异常时参与器具保护的器件，实现了器件复用，节约产品成本。

其中，对于预设阈值t1的设置，是为避免mcu单元发生误判优选的。例如，根据交流电的频率、周期设置。若交流电频率为50/60hz，每个周期20ms/16.7ms，则预设阈值t1只需要大于过零信号的周期。如图7所示，mcu单元获取的过零信号一般与整机交流电输入周期、开始时间、反转时间和结束时间一致。

在一个可选的实施例中，以50hz为例，限定0.1s内有50个完整的过零方波信号为正常状态。对于0.1s时间限制设置，可通过多次检测过零信号，避免mcu单元误判。

步骤s902，mcu单元发出开关驱动信号。所述开关驱动信号用于控制所述功率开关间断闭合，使得本实施例中的加热器件heater正常工作，并能够精确控制电路的加热功率。

在一个或多个可选的实施例中，所述开关驱动信号可以采用斩波、控制开通周期、以及在过零处提取的指令信号等方式。通过开关驱动信号对所述功率开关进行通断控制，其能够精确控制加热功率提升电路的工作效率，并有效节约能源。优选地，在过零处进行所述功率开关的通断控制，这种方式可以减少开关功率损耗和电磁干扰的影响。

步骤s903，功率开关执行断开/闭合。功率开关根据mcu单元发送的开关驱动信号按照一定规律执行开通关断操作，从而实现功率调节精确控制电路的加热功率，有效地节约能源。

步骤s904，发热器件正常工作。发热器件在功率开关开通时，进行加热，在功率开关断开时，停止加热。

步骤s906，mcu单元发送开关闭合信号驱动功率开关持续闭合。在所述mcu单元判断所述过零信号为异常时，所述mcu单元控制所述功率开关tr1持续闭合，从而使电路中所述发热器件heater持续加热。当所述发热器件heater持续加热使得电路温度升至限温器的额定动作温度，迫使限温器的温度开关k1呈断开状态，ptc电阻接入电路。此时，ptc电组与发热器件共同维持限温器的断开状态，从而通过限温器的ptc电阻对发热器件进行保护，提高了电路的安全性。

在一个可选的实施例中，功率开关tr1可选择可控硅，也可以选择绝缘栅双极型晶体管igbt、mos管、功率三极管等其它开关元件。

步骤s907,判断在预定时长内检测到正常过零信号，且过零信号持续时间t2大于等于预设阈值t2，如果判断结果为是，则进入步骤s902；否则，则进入s908；

本发明的上述实施例，在过零信号判断为异常的情况下，进一步设置预定时长，并在预定时长内对check信号进行检测判断过零信号是否存在。首先，对于预定时长的设置，可以根据限温器自动恢复所需时长考虑选取。例如，选取5s。在预定时长内对check信号进行检测再次判断具体实现为通过判断在预定时长内是否检测到所述check信号且所述check信号持续时间t2是否大于等于预设阈值t2。对于预设阈值t2的选取参考预设阈值t1的方式，例如t2设定为0.5s。

如果在预定时长内存在所述check信号且所述check信号持续时间t2大于等于预设阈值t2，则发送所述开关驱动信号控制所述功率开关tr1间断闭合。mcu单元重新触发功率开关tr1按照开关驱动信号间断闭合，使得加热器件heater正常工作。通过二次检测过零信号排查故障原因，提高电路的工作效率。

步骤s908，报警；

本发明的上述实施例，如果在预定时长内未存在所述check信号，或者在预定时长内存在所述check信号且所述check信号持续时间t2小于预设阈值t2，则发送报警信号，同时控制功率开关tr1处于持续闭合状态。

本发明的上述实施例，mcu单元发送报警信号至报警单元，以提示使用者排除故障，例如报警器包括语音报警单元，用于发出提示音或播放预存的语音内容进行报警；例如，报警器包括led单元，用于发光报警，如发出预设颜色的光线进行报警；例如，报警器包括无线通信单元，用于与用户设备建立无线连接，通过无线连接向用户设备发送报警信息。无线通信单元包括wifi单元、蓝牙单元、nfc单元或者zigbee单元中至少一种。

步骤s909，判断过零信号是否正常。

本发明的上述实施例，在发送报警信号之后，判断所述check信号的持续时间t1是否大于等于预设阈值t1。如果判断为是，则发送开关断开信号至所述功率开关；如果判断为否，断电复位。通过第三次判断排查限温器异常复位情况导致的电路问题，增加限温器失效后的处理方式，使得电路工作更加安全可靠。

步骤s910，功率开关断开。

判断限温器是否存在异常复位，如果是存在异常复位，则mcu单元向功率开关tr1发送heat信号(此时heat信号定义为开关断开信号)，功率开关tr1根据开关断开信号断开。由于限温器异常复位，导致发热器件heater仍旧处于持续加热工作状态，为进一步保护电路，可以通过软件逻辑控制整机断电，从而保护加热器件，提升电路的安全性。

如果判断为否，则表示电路没有限温器异常复位，则整机通过断电复位。

通过上述实施例，利用过零信号的判断触发微控制单元发送不同的驱动信号控制功率开关间断工作或持续工作，从而实现了功率开关的复用。通过多次判断过零信号排查限温器故障所致的异常，并在限温器出现异常故障的情况下，能够通过软件控制整机断电复位，进一步提高了加热器具的安全性。

本领域普通技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选实施例可以自由地组合、叠加。

应当理解，上述的实施方式仅是示例性的，而非限制性的，在不偏离本发明的基本原理的情况下，本领域普通技术人员可以针对上述细节做出的各种明显的或等同的修改或替换，都将包含于本发明的权利要求范围内。