GreenPAK交流电源循环跳跃控制带系统监控

大多数家用电器通常使用交流电源进行操作。循环跳跃逻辑可用于交流调光器、加热器和炊具等电器。

这些电器由电力电子开关组成，如可控硅整流器（SCR）和交流三极管（TRIAC），它们定期打开/关闭以实现平稳运行。

在此控制中，负载在设定的周期数内打开，并在设定的周期数内关闭。图 1 显示了周期跳跃逻辑输出。如图1所示，负载在一个周期内导通，在一个周期内关闭。由于TRIAC的特性，负载完全关闭，详见第3节。这种控制方案还降低了EMI，因为不存在过多的dI/dt。

通道 1（蓝色/顶线）- 交流电源

通道 2（绿色/底线）- 周期跳跃输出

图 1：周期跳跃输出

本文分为 3 个部分。第1节描述了一个过零电路，第2节说明了使用GreenPAK生成不同模式（包括系统监控功能）的方法，第3节定义了用于驱动负载的TRIAC驱动器电路。

图2：带光电晶体管的光隔离器

1. 过零电路

过零电路由交流电源、半波整流器和带有光敏器件的光隔离器——光电晶体管组成。光隔离器利用光隔离交流和直流信号。该光隔离器由LED、光束和光电晶体管组成，如图2所示。半波整流器整流输入高压交流信号，并将整流输出馈送到光隔离器的输入LED。然后，来自LED的信号转换为与输入信号成比例的强度，并落在光电晶体管的基极上，从而触发光电晶体管进入ON状态。光电晶体管的输出是直流信号，用于在GreenPAK中产生不同的图案。图3显示了过零电路波形。

通道 1（蓝色/顶线） - 交流电源

通道 2（绿色/第 2 行）- 半波整流器输出

通道 3（黄色/底线）- 光隔离器输出

图3：过零电路波形

2. 绿包设计

图 4 显示了 GreenPAK 设计，用于生成不同的模式以驱动负载以及系统监控功能。这种设计可以在全球范围内使用，因为它支持 50Hz 和 60Hz 交流频率。这种设计包括两个控件（即硬件和软件）。它是在GreenPAK Designer软件中创建的，完整的设计文件可以在这里找到。

过零电路的光电晶体管输出到达Heater_Zero（引脚2）。然后，输入信号的两个边沿在内部去抖动2.5ms，以确保正确的过零边检测。小节 2.1 描述硬件控制，小节 2.2 描述软件控制，小节 2.3 描述系统监视功能。通过控制机制生成模式后，它们被路由并显示在Heater_Enable上 （Pin7）。然后将该Heater_Enable（引脚7）连接到TRIAC驱动电路以驱动负载。

图 4：绿色包装设计

2.1 硬件控制

硬件控制技术需要一个外部低电平有效按钮，该按钮连接到Push_Button#1（引脚5）。如果按下按钮的时间小于 50ms，则Heater_Enable（引脚 7）变为低电平，当按下按钮的时间超过 50 毫秒时，编程模式将显示在Heater_Enable上（引脚 7）。

片内设计了 4 种功率电平为 0%、25%、75% 和 100% 的 8 位模式，用户可选择 25% （3 位 LUT3） 和 75% （3 位 LUT5） 的 2 种功率电平。每次按下按钮都会执行通过DFF链生成的8位码型（片上编程），并且仅在系统监控功能在范围内时才在Heater_Enable（引脚7）上显示码型。在第五次按下按钮时，图案循环播放。

该控制包括 2 个系统监控功能 - 过温保护 （OTP） 和紧急关机。

图 5 显示了硬件控制波形。如图5所示，过零交流信号到达Heater_Enable（引脚2），每次按下按钮（按钮#1（引脚5））时，Heater_Enable上都会显示一个图案（引脚7）。当按下按钮的时间少于 50ms 或系统监控功能超出范围时，Heater_Enable （引脚 7） 保持低电平。

2.2 软件控制

软件控制需要一个外部I2C兼容MCU。在此控件中，通过 I2C 在可编程码型发生器 （PGEN） 上写入 1 位到 16 位范围内的码型。

通道 1（黄色/顶线）– PIN#9（输入电压）

通道 2（蓝色/第 2 行）– PIN#11（温度监视器）

D0 – 引脚 #6 （按钮 #2）

D1 – 引脚 #5 （按钮 #1）

D2 – 引脚 #2 （Heater_Zero）

D3 – 引脚 #7 （Heater_Enable）

图 5：硬件控制波形

图 6：PGEN 时序图

当nReset终端保持为高电平时，数据显示在PGEN的每个上升沿的输出上，当nReset终端保持低电平时，第一个位（D0）显示在其输出上。图6显示了PGEN模块的时序图。在此设计中，PGEN 模块上写入 16 位，只要 nRESET 端子保持高电平，数据在 16 位后重复。只要所有系统监控功能 - 紧急关断、OTP 和看门狗定时器都在范围内，该模式就会显示在Heater_Enable（引脚 7）上。

图7显示了软件控制波形。如图7所示，当软件使能为高电平且所有系统监控功能都在范围内时，该模式仅在Heater_Zero的每个上升沿（引脚2）的Heater_Enable（引脚7）上显示。

通道 1（黄色/顶线）– PIN#9（输入电压）

通道 2（蓝色/第 2 行）– PIN#11（温度监视器）

D0 – I2C 输出0 （软件使能）

D1 – I2C 输出1 （看门狗定时器输入）

D2 – 引脚 #6 （按钮 #2）

D3 – 引脚 #2 （Heater_Zero）

D4 – 引脚 #7 （Heater_Enable）

D5 – 引脚 #12 （看门狗定时器）

图 8：OTP 原理图

2.3 系统监控功能

OTP、紧急关断、看门狗定时器和频率检测是本设计中包含的系统监控功能。

2.3.1 过温保护

OTP 功能在硬件和软件控制技术中均可用。此功能需要一个带热敏电阻的外部电阻分压器。热敏电阻是一种与温度相关的电阻器，其电阻随温度升高而减小。

图8显示了OTP原理图。检测电压连接到输入电压 （PIN 9）。GreenPAK 内部的温度范围由一组 2 个模拟比较器 （ACMP） 和一个 LUT 实现。在该设计中，工作温度范围设置为0°C至60°C，分别对应于ACMP的2.176V至0.928V电压范围。当温度超出范围时，系统关闭，当温度在范围内时，设计根据所选的用户控制（即硬件或软件）运行。

图9显示了OTP波形。如图9所示，温度监控器输出仅在温度范围内时为高电平，当温度超出范围时，输出为低电平。

通道 1（黄色/顶线）– PIN# 9（输入电压）

通道 2（蓝色/底线）– PIN# 11（温度监视器）

图 9：OTP 波形

2.3.2. 紧急关机

紧急关机具有最高优先级，此功能可用于硬件和软件控制技术。此功能通过连接到IC上的按钮#2（引脚6）输入的外部有源低按钮实现。按下按钮时

通道 1（黄色/顶线）– PIN# 6（按钮 #2）

通道 2（蓝色/底线）– PIN# 2 （Heater_Zero）

D0 – 引脚# 7 （Heater_Enable）

图10：紧急关机

Heater_Enable（引脚7）输出变为低电平，系统关闭。松开按钮后，系统会重新打开，具体取决于软件或硬件控制以及其他系统监控功能是否在范围内。图 10 显示了紧急关机功能。如图10所示，按下按钮时，Heater_Enable处的输出（引脚7）被禁用。

2.3.3. 看门狗定时器

此功能仅在软件控制中可用，并通过I2C兼容MCU进行控制。CNT3（8位）设置看门狗定时器的周期。在 POR，CNT3 加载的值由下式确定

通道 1（黄色/顶线）– I2C 虚拟输入 1 - OUT1（看门狗定时器输入）

通道 2（蓝色/底线）–（CNT3 输出）

D0 – 引脚# 12（看门狗定时器）

图 11：看门狗定时器

通道 1（黄色/顶线）– PIN# 2 （Heater_Zero）通道 2（蓝色/底线）– PIN# 10（频率检测）

图 12：频率检测器

其控制数据寄存器，为656.25ms（默认）。定时器通过切换的 I2C 虚拟输入 1 - OUT1 连续工作。如果MCU冻结或I2C虚拟输入1 - OUT1在656.25ms之前未切换，则定时器将在656.25ms后过期，并在看门狗定时器（引脚12）产生3ms复位脉冲。如果定时器过期，则Heater_Enable（引脚7）为低电平，系统关闭。定时器周期和复位脉冲持续时间均可由用户选择，并可通过 I2C 进行更改。

图11显示了看门狗定时器波形。如图11所示，当I2C虚拟输入1 - OUT1在656.25ms之前切换时，看门狗定时器输出为低电平并指示定时器在范围内，当I2C虚拟输入1 - OUT1在大于设定的CNT周期的时间切换时，定时器将在656.25ms（默认）后过期，看门狗定时器输出变为高电平。

2.3.4. 频率检测器

CNT2用于检测输入信号的频率。当输入信号的连续边沿在设定的计数器周期之前到达时，频率检测输出为高电平;当连续边沿晚于计数器周期到达时，频率检测输出为低电平。

图12显示了频率检测器输出。如图12所示，当输入信号频率为50Hz时，频率检测输出为低电平，当输入信号频率为60Hz时，输出为高电平。

2.4 修改模式生成器

对于特定的功耗，通过I2C在PGEN宏单元上写入不同的模式。若要重写不同的模式，建议执行以下步骤。

1. 置位Software_Enable（I2C 虚拟输入 0 - OUT0）低

2. 在 PGEN 寄存器上写入新的 16 位模式

3. 断言高Software_Enable

按顺序执行这些步骤可确保写入PGEN寄存器上的新数据正确同步。表 1 显示了 PGEN 宏单元的 I2C 地址。

表 1：PGEN I2C 地址

3. 可控硅驱动电路

可控硅驱动器电路由带光电可控硅的光隔离器和用于驱动负载的可控硅组成。

图13显示了带有光电可控硅的光隔离器。如图13所示，光隔离器由LED、过零检测器电路和光敏器件光电可控硅组成。该隔离器隔离直流和交流信号。GreenPAK器件生成的图案连接到光隔离器的输入LED。过零检测器电路可精确检测每个交流信号的真正过零。

光隔离器的输出连接到功率可控硅，然后与负载相连。TRIAC栅极处的正脉冲会触发其进入ON状态。可控硅的特性是，当瞬时电压和负载电流降至零时，它在正弦电源电压的每个半周期自动关断。TRIAC在下一个半周期再次开始锁存数据。TRIAC可以通过将其端子上的电流降低到其最小保持电流以下或在电源电压切断时关闭。功率可控硅处的信号是输入交流信号的所需周期跳跃输出。

图 13：光电可控硅光隔离器

4. 测试

图14描述了使用GreenPAK的周期跳跃逻辑示意图。测试设置的主要组件是半波整流器、带光电晶体管的光隔离器、GreenPAK IC、带光电可控硅的光隔离器和可控硅。测试原理图显示了用于测试的光隔离器。光电晶体管的基极连接到GND，以实现稳定的输出并减少由于电噪声引起的误触发。

如图14所示，输入交流信号施加在LIVE和中性端子上，输出负载通过Load_LIVE和Load_Neutral端子连接。有两个外部按钮，每个按钮连接到按钮 #1（引脚 5）和按钮 #2（引脚 6）。电阻分压器两端的电压连接到输入电压（引脚9）。此外，还存在一个I2C兼容MCU，用于软件控制设计。MCU的SCL和SDA线分别通过上拉电阻连接到GreenPAK的SCL和SDA线。

图14：周期跳跃测试原理图

图15显示了测试原理图的软件控制周期跳跃输出，假设所有系统监控功能都在范围内。PGEN 宏单元上的数据按照第 2.4 小节中的步骤通过 I2C 写入。16 位后，在第 17 边沿，只要软件启用为 HIGH，模式就会重复。一旦软件使能变为低电平，周期跳跃输出也会变为低电平。

通道 1（洋红色/顶线） - （交流输入）

通道 2（黄色/第 2 行）- PIN#2 （Heater_Zero）

通道 3（黑色/第 3 行）- I2C 虚拟输入 0 - OUT0（软件使能）

通道 4（蓝色/第 4 行）- PIN#7 （Heater_Enable）

通道 5（绿色/底线）- 周期跳跃输出

图 15：软件控制周期跳跃输出

通道 1（洋红色/顶线） - （交流输入）

通道 2（黄色/第 2 行）- PIN#2 （Heater_Zero）

通道 3（黑色/第 3 行）- PIN#5（按钮 #1）

通道 4（蓝色/第 4 行）- PIN#7 （Heater_Enable）

通道 5（绿色/底线）- 周期跳跃输出

图 16：硬件控制周期跳跃输出

图16显示了假设所有系统监控功能都在范围内的硬件控制周期跳跃输出。每次按下按钮时，预编程的功率电平被路由到Heater_Enable（引脚7），并适当地显示在周期跳跃输出上。每个编程功率电平均为 8 位模式。在第 9 位上，如果仍然按下按钮，则重复该模式。松开按钮后，Heater_Enable（引脚7）变为低电平，周期跳跃输出也变为低电平。按下第 5 个按钮时，预编程的功率电平循环通过。

5. 功能扩展

GreenPAK IC可以配置任何能够通过I2C通信的MCU。DA14531 智能邦 TINY™ 开发套件 USB由 IO 组成，可配置为用于 I2C 通信的漏极开路输出。

图 17：基于 DA14531 USB 开发套件的测试原理图

6. 演示电路板

图 18：周期跳跃和切相控制 PCB

图 17 显示了使用 DA14531 USB 开发套件进行周期跳跃控制的测试设置。如图 17 所示，P0_2（端口 0 - 引脚 2）和P0_8（端口 0 - 引脚 8）引脚分别配置为 SCL 和 SDA，用于 I2C 通信。DA14531 USB 开发套件的电源通过套件中的 USB 端口提供。请按照第 2.4 小节中的步骤将 I2C 命令发送到 GreenPAK 的 PGEN 宏单元以修改模式。当通过DA14531 USB开发套件提供I2C命令时，可以获得类似的周期跳跃输出结果。

图18显示了周期跳跃和切相逻辑的演示板。该 PCB 可在全球范围内轻松使用，因为 GreenPAK 设计支持 50Hz 和 60Hz 交流频率。用户只需连接交流电源和负载。交流电源通过交流电源连接器施加到电路板上。在本演示中，灯泡用作负载。

如图18所示，电路板上有2个独立的TRIAC驱动器和配置跳线，用于从周期跳跃切换到切相逻辑。该设计在GreenPAK DIP插座上编程，并存在2个按钮，分别用于设计的硬件控制和紧急关机。

用于连接 5V 直流电源并通过 I2C（SCL 和 SDA）兼容 MCU 与 GreenPAK DIP 插座通信的测试点位于 PCB 的右上角。

该板还支持基于 DA14531 的微型总线插座，以通过 I2C 通信控制 GreenPAK。

结论

本文介绍的GreenPAK设计易于使用，最大限度地降低了成本，节省了电路板空间和元件数量。通常，MCU的IO有限。因此，将控制卸载到小型且廉价的IC上可以节省IO用于其他关键操作。

此外，这些IC灵活且易于测试。可以修改设计以包括额外的系统监控功能、增加/减少模式长度以及模式数量（仅限硬件控制）。这种灵活性可以节省时间，并且可以适应最后一刻的设计更改。修改设计后，只需单击几个按钮即可在片上对新的设计文件进行编程，然后重新焊接到电路板上。它还通过锁定设计文件来限制可见性，从而提供设计安全性。通过使用这种设计，用户可以通过按钮控制4个8位模式，通过I2C控制16位模式。

审核编辑：郭婷