GreenPAK交流電源循環(huán)跳躍控制帶系統(tǒng)監(jiān)控

大多數(shù)家用電器通常使用交流電源進(jìn)行操作。循環(huán)跳躍邏輯可用于交流調(diào)光器、加熱器和炊具等電器。

這些電器由電力電子開關(guān)組成，如可控硅整流器（SCR）和交流三極管（TRIAC），它們定期打開/關(guān)閉以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)行。

在此控制中，負(fù)載在設(shè)定的周期數(shù)內(nèi)打開，并在設(shè)定的周期數(shù)內(nèi)關(guān)閉。圖 1 顯示了周期跳躍邏輯輸出。如圖1所示，負(fù)載在一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通，在一個(gè)周期內(nèi)關(guān)閉。由于TRIAC的特性，負(fù)載完全關(guān)閉，詳見第3節(jié)。這種控制方案還降低了EMI，因?yàn)椴淮嬖谶^(guò)多的dI/dt。

通道 1（藍(lán)色/頂線）- 交流電源

通道 2（綠色/底線）- 周期跳躍輸出

圖 1：周期跳躍輸出

本文分為 3 個(gè)部分。第1節(jié)描述了一個(gè)過(guò)零電路，第2節(jié)說(shuō)明了使用GreenPAK生成不同模式（包括系統(tǒng)監(jiān)控功能）的方法，第3節(jié)定義了用于驅(qū)動(dòng)負(fù)載的TRIAC驅(qū)動(dòng)器電路。

圖2：帶光電晶體管的光隔離器

1. 過(guò)零電路

過(guò)零電路由交流電源、半波整流器和帶有光敏器件的光隔離器——光電晶體管組成。光隔離器利用光隔離交流和直流信號(hào)。該光隔離器由LED、光束和光電晶體管組成，如圖2所示。半波整流器整流輸入高壓交流信號(hào)，并將整流輸出饋送到光隔離器的輸入LED。然后，來(lái)自LED的信號(hào)轉(zhuǎn)換為與輸入信號(hào)成比例的強(qiáng)度，并落在光電晶體管的基極上，從而觸發(fā)光電晶體管進(jìn)入ON狀態(tài)。光電晶體管的輸出是直流信號(hào)，用于在GreenPAK中產(chǎn)生不同的圖案。圖3顯示了過(guò)零電路波形。

通道 1（藍(lán)色/頂線） - 交流電源

通道 2（綠色/第 2 行）- 半波整流器輸出

通道 3（黃色/底線）- 光隔離器輸出

圖3：過(guò)零電路波形

2. 綠包設(shè)計(jì)

圖 4 顯示了 GreenPAK 設(shè)計(jì)，用于生成不同的模式以驅(qū)動(dòng)負(fù)載以及系統(tǒng)監(jiān)控功能。這種設(shè)計(jì)可以在全球范圍內(nèi)使用，因?yàn)樗С?50Hz 和 60Hz 交流頻率。這種設(shè)計(jì)包括兩個(gè)控件（即硬件和軟件）。它是在GreenPAK Designer軟件中創(chuàng)建的，完整的設(shè)計(jì)文件可以在這里找到。

過(guò)零電路的光電晶體管輸出到達(dá)Heater_Zero（引腳2）。然后，輸入信號(hào)的兩個(gè)邊沿在內(nèi)部去抖動(dòng)2.5ms，以確保正確的過(guò)零邊檢測(cè)。小節(jié) 2.1 描述硬件控制，小節(jié) 2.2 描述軟件控制，小節(jié) 2.3 描述系統(tǒng)監(jiān)視功能。通過(guò)控制機(jī)制生成模式后，它們被路由并顯示在Heater_Enable上 （Pin7）。然后將該Heater_Enable（引腳7）連接到TRIAC驅(qū)動(dòng)電路以驅(qū)動(dòng)負(fù)載。

圖 4：綠色包裝設(shè)計(jì)

2.1 硬件控制

硬件控制技術(shù)需要一個(gè)外部低電平有效按鈕，該按鈕連接到Push_Button#1（引腳5）。如果按下按鈕的時(shí)間小于 50ms，則Heater_Enable（引腳 7）變?yōu)榈碗娖剑?dāng)按下按鈕的時(shí)間超過(guò) 50 毫秒時(shí)，編程模式將顯示在Heater_Enable上（引腳 7）。

片內(nèi)設(shè)計(jì)了 4 種功率電平為 0%、25%、75% 和 100% 的 8 位模式，用戶可選擇 25% （3 位 LUT3） 和 75% （3 位 LUT5） 的 2 種功率電平。每次按下按鈕都會(huì)執(zhí)行通過(guò)DFF鏈生成的8位碼型（片上編程），并且僅在系統(tǒng)監(jiān)控功能在范圍內(nèi)時(shí)才在Heater_Enable（引腳7）上顯示碼型。在第五次按下按鈕時(shí)，圖案循環(huán)播放。

該控制包括 2 個(gè)系統(tǒng)監(jiān)控功能 - 過(guò)溫保護(hù) （OTP） 和緊急關(guān)機(jī)。

圖 5 顯示了硬件控制波形。如圖5所示，過(guò)零交流信號(hào)到達(dá)Heater_Enable（引腳2），每次按下按鈕（按鈕#1（引腳5））時(shí)，Heater_Enable上都會(huì)顯示一個(gè)圖案（引腳7）。當(dāng)按下按鈕的時(shí)間少于 50ms 或系統(tǒng)監(jiān)控功能超出范圍時(shí)，Heater_Enable （引腳 7） 保持低電平。

2.2 軟件控制

軟件控制需要一個(gè)外部I2C兼容MCU。在此控件中，通過(guò) I2C 在可編程碼型發(fā)生器 （PGEN） 上寫入 1 位到 16 位范圍內(nèi)的碼型。

通道 1（黃色/頂線）– PIN#9（輸入電壓）

通道 2（藍(lán)色/第 2 行）– PIN#11（溫度監(jiān)視器）

D0 – 引腳 #6 （按鈕 #2）

D1 – 引腳 #5 （按鈕 #1）

D2 – 引腳 #2 （Heater_Zero）

D3 – 引腳 #7 （Heater_Enable）

圖 5：硬件控制波形

圖 6：PGEN 時(shí)序圖

當(dāng)nReset終端保持為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)顯示在PGEN的每個(gè)上升沿的輸出上，當(dāng)nReset終端保持低電平時(shí)，第一個(gè)位（D0）顯示在其輸出上。圖6顯示了PGEN模塊的時(shí)序圖。在此設(shè)計(jì)中，PGEN 模塊上寫入 16 位，只要 nRESET 端子保持高電平，數(shù)據(jù)在 16 位后重復(fù)。只要所有系統(tǒng)監(jiān)控功能 - 緊急關(guān)斷、OTP 和看門狗定時(shí)器都在范圍內(nèi)，該模式就會(huì)顯示在Heater_Enable（引腳 7）上。

圖7顯示了軟件控制波形。如圖7所示，當(dāng)軟件使能為高電平且所有系統(tǒng)監(jiān)控功能都在范圍內(nèi)時(shí)，該模式僅在Heater_Zero的每個(gè)上升沿（引腳2）的Heater_Enable（引腳7）上顯示。

通道 1（黃色/頂線）– PIN#9（輸入電壓）

通道 2（藍(lán)色/第 2 行）– PIN#11（溫度監(jiān)視器）

D0 – I2C 輸出0 （軟件使能）

D1 – I2C 輸出1 （看門狗定時(shí)器輸入）

D2 – 引腳 #6 （按鈕 #2）

D3 – 引腳 #2 （Heater_Zero）

D4 – 引腳 #7 （Heater_Enable）

D5 – 引腳 #12 （看門狗定時(shí)器）

圖 8：OTP 原理圖

2.3 系統(tǒng)監(jiān)控功能

OTP、緊急關(guān)斷、看門狗定時(shí)器和頻率檢測(cè)是本設(shè)計(jì)中包含的系統(tǒng)監(jiān)控功能。

2.3.1 過(guò)溫保護(hù)

OTP 功能在硬件和軟件控制技術(shù)中均可用。此功能需要一個(gè)帶熱敏電阻的外部電阻分壓器。熱敏電阻是一種與溫度相關(guān)的電阻器，其電阻隨溫度升高而減小。

圖8顯示了OTP原理圖。檢測(cè)電壓連接到輸入電壓 （PIN 9）。GreenPAK 內(nèi)部的溫度范圍由一組 2 個(gè)模擬比較器 （ACMP） 和一個(gè) LUT 實(shí)現(xiàn)。在該設(shè)計(jì)中，工作溫度范圍設(shè)置為0°C至60°C，分別對(duì)應(yīng)于ACMP的2.176V至0.928V電壓范圍。當(dāng)溫度超出范圍時(shí)，系統(tǒng)關(guān)閉，當(dāng)溫度在范圍內(nèi)時(shí)，設(shè)計(jì)根據(jù)所選的用戶控制（即硬件或軟件）運(yùn)行。

圖9顯示了OTP波形。如圖9所示，溫度監(jiān)控器輸出僅在溫度范圍內(nèi)時(shí)為高電平，當(dāng)溫度超出范圍時(shí)，輸出為低電平。

通道 1（黃色/頂線）– PIN# 9（輸入電壓）

通道 2（藍(lán)色/底線）– PIN# 11（溫度監(jiān)視器）

圖 9：OTP 波形

2.3.2. 緊急關(guān)機(jī)

緊急關(guān)機(jī)具有最高優(yōu)先級(jí)，此功能可用于硬件和軟件控制技術(shù)。此功能通過(guò)連接到IC上的按鈕#2（引腳6）輸入的外部有源低按鈕實(shí)現(xiàn)。按下按鈕時(shí)

通道 1（黃色/頂線）– PIN# 6（按鈕 #2）

通道 2（藍(lán)色/底線）– PIN# 2 （Heater_Zero）

D0 – 引腳# 7 （Heater_Enable）

圖10：緊急關(guān)機(jī)

Heater_Enable（引腳7）輸出變?yōu)榈碗娖?，系統(tǒng)關(guān)閉。松開按鈕后，系統(tǒng)會(huì)重新打開，具體取決于軟件或硬件控制以及其他系統(tǒng)監(jiān)控功能是否在范圍內(nèi)。圖 10 顯示了緊急關(guān)機(jī)功能。如圖10所示，按下按鈕時(shí)，Heater_Enable處的輸出（引腳7）被禁用。

2.3.3. 看門狗定時(shí)器

此功能僅在軟件控制中可用，并通過(guò)I2C兼容MCU進(jìn)行控制。CNT3（8位）設(shè)置看門狗定時(shí)器的周期。在 POR，CNT3 加載的值由下式確定

通道 1（黃色/頂線）– I2C 虛擬輸入 1 - OUT1（看門狗定時(shí)器輸入）

通道 2（藍(lán)色/底線）–（CNT3 輸出）

D0 – 引腳# 12（看門狗定時(shí)器）

圖 11：看門狗定時(shí)器

通道 1（黃色/頂線）– PIN# 2 （Heater_Zero）通道 2（藍(lán)色/底線）– PIN# 10（頻率檢測(cè)）

圖 12：頻率檢測(cè)器

其控制數(shù)據(jù)寄存器，為656.25ms（默認(rèn)）。定時(shí)器通過(guò)切換的 I2C 虛擬輸入 1 - OUT1 連續(xù)工作。如果MCU凍結(jié)或I2C虛擬輸入1 - OUT1在656.25ms之前未切換，則定時(shí)器將在656.25ms后過(guò)期，并在看門狗定時(shí)器（引腳12）產(chǎn)生3ms復(fù)位脈沖。如果定時(shí)器過(guò)期，則Heater_Enable（引腳7）為低電平，系統(tǒng)關(guān)閉。定時(shí)器周期和復(fù)位脈沖持續(xù)時(shí)間均可由用戶選擇，并可通過(guò) I2C 進(jìn)行更改。

圖11顯示了看門狗定時(shí)器波形。如圖11所示，當(dāng)I2C虛擬輸入1 - OUT1在656.25ms之前切換時(shí)，看門狗定時(shí)器輸出為低電平并指示定時(shí)器在范圍內(nèi)，當(dāng)I2C虛擬輸入1 - OUT1在大于設(shè)定的CNT周期的時(shí)間切換時(shí)，定時(shí)器將在656.25ms（默認(rèn)）后過(guò)期，看門狗定時(shí)器輸出變?yōu)楦唠娖健?/p>

2.3.4. 頻率檢測(cè)器

CNT2用于檢測(cè)輸入信號(hào)的頻率。當(dāng)輸入信號(hào)的連續(xù)邊沿在設(shè)定的計(jì)數(shù)器周期之前到達(dá)時(shí)，頻率檢測(cè)輸出為高電平;當(dāng)連續(xù)邊沿晚于計(jì)數(shù)器周期到達(dá)時(shí)，頻率檢測(cè)輸出為低電平。

圖12顯示了頻率檢測(cè)器輸出。如圖12所示，當(dāng)輸入信號(hào)頻率為50Hz時(shí)，頻率檢測(cè)輸出為低電平，當(dāng)輸入信號(hào)頻率為60Hz時(shí)，輸出為高電平。

2.4 修改模式生成器

對(duì)于特定的功耗，通過(guò)I2C在PGEN宏單元上寫入不同的模式。若要重寫不同的模式，建議執(zhí)行以下步驟。

1. 置位Software_Enable（I2C 虛擬輸入 0 - OUT0）低

2. 在 PGEN 寄存器上寫入新的 16 位模式

3. 斷言高Software_Enable

按順序執(zhí)行這些步驟可確保寫入PGEN寄存器上的新數(shù)據(jù)正確同步。表 1 顯示了 PGEN 宏單元的 I2C 地址。

表 1：PGEN I2C 地址

3. 可控硅驅(qū)動(dòng)電路

可控硅驅(qū)動(dòng)器電路由帶光電可控硅的光隔離器和用于驅(qū)動(dòng)負(fù)載的可控硅組成。

圖13顯示了帶有光電可控硅的光隔離器。如圖13所示，光隔離器由LED、過(guò)零檢測(cè)器電路和光敏器件光電可控硅組成。該隔離器隔離直流和交流信號(hào)。GreenPAK器件生成的圖案連接到光隔離器的輸入LED。過(guò)零檢測(cè)器電路可精確檢測(cè)每個(gè)交流信號(hào)的真正過(guò)零。

光隔離器的輸出連接到功率可控硅，然后與負(fù)載相連。TRIAC柵極處的正脈沖會(huì)觸發(fā)其進(jìn)入ON狀態(tài)?？煽毓璧奶匦允牵?dāng)瞬時(shí)電壓和負(fù)載電流降至零時(shí)，它在正弦電源電壓的每個(gè)半周期自動(dòng)關(guān)斷。TRIAC在下一個(gè)半周期再次開始鎖存數(shù)據(jù)。TRIAC可以通過(guò)將其端子上的電流降低到其最小保持電流以下或在電源電壓切斷時(shí)關(guān)閉。功率可控硅處的信號(hào)是輸入交流信號(hào)的所需周期跳躍輸出。

圖 13：光電可控硅光隔離器

4. 測(cè)試

圖14描述了使用GreenPAK的周期跳躍邏輯示意圖。測(cè)試設(shè)置的主要組件是半波整流器、帶光電晶體管的光隔離器、GreenPAK IC、帶光電可控硅的光隔離器和可控硅。測(cè)試原理圖顯示了用于測(cè)試的光隔離器。光電晶體管的基極連接到GND，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的輸出并減少由于電噪聲引起的誤觸發(fā)。

如圖14所示，輸入交流信號(hào)施加在LIVE和中性端子上，輸出負(fù)載通過(guò)Load_LIVE和Load_Neutral端子連接。有兩個(gè)外部按鈕，每個(gè)按鈕連接到按鈕 #1（引腳 5）和按鈕 #2（引腳 6）。電阻分壓器兩端的電壓連接到輸入電壓（引腳9）。此外，還存在一個(gè)I2C兼容MCU，用于軟件控制設(shè)計(jì)。MCU的SCL和SDA線分別通過(guò)上拉電阻連接到GreenPAK的SCL和SDA線。

圖14：周期跳躍測(cè)試原理圖

圖15顯示了測(cè)試原理圖的軟件控制周期跳躍輸出，假設(shè)所有系統(tǒng)監(jiān)控功能都在范圍內(nèi)。PGEN 宏單元上的數(shù)據(jù)按照第 2.4 小節(jié)中的步驟通過(guò) I2C 寫入。16 位后，在第 17 邊沿，只要軟件啟用為 HIGH，模式就會(huì)重復(fù)。一旦軟件使能變?yōu)榈碗娖?，周期跳躍輸出也會(huì)變?yōu)榈碗娖健?/p>

通道 1（洋紅色/頂線） - （交流輸入）

通道 2（黃色/第 2 行）- PIN#2 （Heater_Zero）

通道 3（黑色/第 3 行）- I2C 虛擬輸入 0 - OUT0（軟件使能）

通道 4（藍(lán)色/第 4 行）- PIN#7 （Heater_Enable）

通道 5（綠色/底線）- 周期跳躍輸出

圖 15：軟件控制周期跳躍輸出

通道 1（洋紅色/頂線） - （交流輸入）

通道 2（黃色/第 2 行）- PIN#2 （Heater_Zero）

通道 3（黑色/第 3 行）- PIN#5（按鈕 #1）

通道 4（藍(lán)色/第 4 行）- PIN#7 （Heater_Enable）

通道 5（綠色/底線）- 周期跳躍輸出

圖 16：硬件控制周期跳躍輸出

圖16顯示了假設(shè)所有系統(tǒng)監(jiān)控功能都在范圍內(nèi)的硬件控制周期跳躍輸出。每次按下按鈕時(shí)，預(yù)編程的功率電平被路由到Heater_Enable（引腳7），并適當(dāng)?shù)仫@示在周期跳躍輸出上。每個(gè)編程功率電平均為 8 位模式。在第 9 位上，如果仍然按下按鈕，則重復(fù)該模式。松開按鈕后，Heater_Enable（引腳7）變?yōu)榈碗娖?，周期跳躍輸出也變?yōu)榈碗娖健０聪碌?5 個(gè)按鈕時(shí)，預(yù)編程的功率電平循環(huán)通過(guò)。

5. 功能擴(kuò)展

GreenPAK IC可以配置任何能夠通過(guò)I2C通信的MCU。DA14531 智能邦 TINY? 開發(fā)套件 USB由 IO 組成，可配置為用于 I2C 通信的漏極開路輸出。

圖 17：基于 DA14531 USB 開發(fā)套件的測(cè)試原理圖

6. 演示電路板

圖 18：周期跳躍和切相控制 PCB

圖 17 顯示了使用 DA14531 USB 開發(fā)套件進(jìn)行周期跳躍控制的測(cè)試設(shè)置。如圖 17 所示，P0_2（端口 0 - 引腳 2）和P0_8（端口 0 - 引腳 8）引腳分別配置為 SCL 和 SDA，用于 I2C 通信。DA14531 USB 開發(fā)套件的電源通過(guò)套件中的 USB 端口提供。請(qǐng)按照第 2.4 小節(jié)中的步驟將 I2C 命令發(fā)送到 GreenPAK 的 PGEN 宏單元以修改模式。當(dāng)通過(guò)DA14531 USB開發(fā)套件提供I2C命令時(shí)，可以獲得類似的周期跳躍輸出結(jié)果。

圖18顯示了周期跳躍和切相邏輯的演示板。該 PCB 可在全球范圍內(nèi)輕松使用，因?yàn)?GreenPAK 設(shè)計(jì)支持 50Hz 和 60Hz 交流頻率。用戶只需連接交流電源和負(fù)載。交流電源通過(guò)交流電源連接器施加到電路板上。在本演示中，燈泡用作負(fù)載。

如圖18所示，電路板上有2個(gè)獨(dú)立的TRIAC驅(qū)動(dòng)器和配置跳線，用于從周期跳躍切換到切相邏輯。該設(shè)計(jì)在GreenPAK DIP插座上編程，并存在2個(gè)按鈕，分別用于設(shè)計(jì)的硬件控制和緊急關(guān)機(jī)。

用于連接 5V 直流電源并通過(guò) I2C（SCL 和 SDA）兼容 MCU 與 GreenPAK DIP 插座通信的測(cè)試點(diǎn)位于 PCB 的右上角。

該板還支持基于 DA14531 的微型總線插座，以通過(guò) I2C 通信控制 GreenPAK。

結(jié)論

本文介紹的GreenPAK設(shè)計(jì)易于使用，最大限度地降低了成本，節(jié)省了電路板空間和元件數(shù)量。通常，MCU的IO有限。因此，將控制卸載到小型且廉價(jià)的IC上可以節(jié)省IO用于其他關(guān)鍵操作。

此外，這些IC靈活且易于測(cè)試。可以修改設(shè)計(jì)以包括額外的系統(tǒng)監(jiān)控功能、增加/減少模式長(zhǎng)度以及模式數(shù)量（僅限硬件控制）。這種靈活性可以節(jié)省時(shí)間，并且可以適應(yīng)最后一刻的設(shè)計(jì)更改。修改設(shè)計(jì)后，只需單擊幾個(gè)按鈕即可在片上對(duì)新的設(shè)計(jì)文件進(jìn)行編程，然后重新焊接到電路板上。它還通過(guò)鎖定設(shè)計(jì)文件來(lái)限制可見性，從而提供設(shè)計(jì)安全性。通過(guò)使用這種設(shè)計(jì)，用戶可以通過(guò)按鈕控制4個(gè)8位模式，通過(guò)I2C控制16位模式。

審核編輯：郭婷