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下载免费的GreenPAK设计软件[1]打开。gp文件[2]，并查看建议的电路设计。使用GreenPAK开发工具[3.]可在几分钟内将设计冻结到您自己的定制IC中。雷竞技电竞平台Dialog Semiconductor提供完整的应用说明库[4]，介绍设计实例，以及Dialog IC内的功能和模块的说明。
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作者:Krupa Bhavsar
本文最初发表于嵌入式计算设计．
简介
大多数家用电器一般使用交流电源运行。循环跳过逻辑可用于电器，如交流调光器，加热器和炊具。这些电器由电力电子开关组成，如可控硅整流器(SCR)和交流电三极管(Triode for Alternating Current, TRIAC)，它们定期打开/关闭以实现平稳运行。
在此控制中，负载在设定的循环次数中打开，在设定的循环次数中关闭。图1显示周期跳过逻辑输出。证据来自图1时，负载开启一个周期，关闭一个周期。由于triac的特性，负载完全关闭，这在中有详细的描述6．这种控制方案也降低了EMI，因为没有过多的dI/dt存在。
通道1(蓝色/顶部线)-交流电源
通道2(绿色/底线)-周期跳过输出
本应用说明分为三个部分。4描述了一个过零电路，5说明使用不同的模式生成，包括系统监视特性GreenPAK，而且6定义了用于驱动负载的可控硅驱动器电路。
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——光电晶体管的光隔离器组成。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，如图图2．半波整流器对输入的高压交流信号进行整流，并将整流输出馈送到光隔离器的输入LED。然后，来自LED的信号转换成与输入信号成比例的强度，并落在光电晶体管的基极上，进而触发光电晶体管进入on状态。光电晶体管的输出是一个直流信号，用于产生不同的图形GreenPAK［5］．图3显示过零电路波形。
通道1(蓝色/顶部线)-交流电源
通道2(绿色/第二行)-半波整流输出
通道3(黄色/底线)-光隔离器输出
GreenPAK设计
图4揭示了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GreenPAK该设计可以在全球范围内使用，因为它支持50Hz和60Hz交流频率。该设计包括两种控制(即硬件和软件)。
过零电路的光电晶体管输出到达的Heater_Zero(引脚2)GreenPAK．输入信号的两个边缘然后内部反弹2.5毫秒，以确保适当的零交叉边缘检测。5.1描述了硬件控制，5.2描述软件控件和5.3介绍系统监控特性。通过控制机制生成模式后，它们将被路由并显示在Heater_Enable (Pin7)上。然后将这个Heater_Enable(引脚7)连接到可控硅驱动电路以驱动负载。
硬件控制
硬件控制技术需要一个外部主动LOW按钮，该按钮连接到Push_Button #1(引脚5)上GreenPAK．如果按钮按下时间小于50ms, Heater_Enable(引脚7)为LOW，当按钮按下时间大于50ms时，编程模式显示在Heater_Enable(引脚7)上。
芯片上设计了4个8位模式，功率级别为0%，25%，75%和100%，2个功率级别- 25%(3位LUT3)和75%(3位LUT5)可供用户选择。每次按下按钮执行通过DFF链生成的8位模式(芯片上编程)，只有当系统监控特征在范围内时，才会在Heater_Enable(引脚7)上显示模式。按下第五个按钮，图案就循环了。
该控制包括2个系统监控功能-过温保护(OTP)和紧急停机。
数字5显示硬件控制波形。从图5，过零交流信号到达Heater_Enable(引脚2)，每按下一个按钮(Push button #1(引脚5))，在Heater_Enable(引脚7)上显示一个模式。当按钮按下少于50ms或当系统监控功能超出范围时，Heater_Enable(引脚7)处于低位。
软件控制
软件控制需要一个外接I2C兼容MCU。在该控件中，1位到16位的模式通过I2C写入可编程模式生成器(PGEN)。
通道1(黄色/顶部线)-引脚#9(输入电压)
通道2(蓝色/第二行)-引脚11号(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)
当PGEN的nReset终端保持HIGH时，数据显示在时钟的每个上升沿上，当nReset为LOW时，第一个比特(D0)显示在其输出上。图6显示PGEN块时序图。在这种设计中，在PGEN块上写入16位，并且只要nRESET终端保持高电平，数据就会在16位之后重复。模式显示在Heater_Enable(引脚7)上，只要所有系统监控功能-紧急关机，OTP和看门狗定时器都在范围内。
图7显示软件控制波形。证据来自图7，当Software Enable为HIGH且所有系统监控特性都在范围内时，该模式仅在Heater_Zero(引脚2)的每个上升边的Heater_Enable(引脚7)上显示。
通道1(黄色/顶部线)-引脚#9(输入电压)
通道2(蓝色/第二行)-引脚11号(温度监视器)
D0 - I2C OUT0(软件使能)
D1 - I2C OUT1(看门狗定时器In)
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)
系统监控特性
OTP、紧急停机、看门狗定时器和频率检测是系统监控功能GreenPAK设计。
过温保护
在硬件和软件控制技术中都有OTP特性。此特性需要一个带有热敏电阻的外部电阻分压器。热敏电阻器是一种依赖于温度的电阻器，其电阻随温度的升高而减小。
图8OTP原理图。感应电压连接到输入电压(引脚9)上GreenPAK．内部温度范围GreenPAK是由一组2个模拟比较器(ACMP)和一个LUT完成的。在本设计中，工作温度范围设置为0˚C至60˚C，分别对应于acmp的电压范围为2.176V至0.928V。当温度超出范围时，系统关闭，当温度在范围内时，根据所选择的用户控制，即硬件或软件，设计功能。
图9显示OTP波形。从图9，温度监控器只有在温度范围内时输出为HIGH，在温度范围外时输出为LOW。
通道1(黄色/顶部线)-引脚# 9(输入电压)
通道2(蓝色/底线)-引脚# 11(温度监视器)
紧急停车
紧急停机具有最高优先级，该功能可用于硬件和软件控制技术。该功能是通过一个外部主动LOW按钮来实现的，该按钮连接到电路上的按钮#2(引脚6)输入GreenPAK当按钮被按下时
通道1(黄色/顶部线)- PIN# 6(按按钮#2)
通道2(蓝色/底线)-引脚# 2 (Heater_Zero)
D0 -引脚# 7 (Heater_Enable)
Heater_Enable(引脚7)输出变为LOW，系统关闭。当按钮被释放时，系统将重新打开，这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显示紧急关机功能。正如从图10，当按下按钮时，Heater_Enable(引脚7)的输出被禁用。
看门狗定时器
该功能仅在软件控制中可用，并通过I2C兼容MCU进行控制。CNT3 (8-bit)设置看门狗定时器的周期。在POR中，CNT3装载由其控制数据寄存器确定的值，该值为656.25ms(默认值)。定时器通过一个切换的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之前没有切换，那么定时器在656.25ms后到期，并在看门狗定时器(引脚12)处产生3ms复位脉冲。如果定时器过期，那么Heater_Enable(引脚7)是LOW，系统关闭。定时器周期和复位脉冲持续时间都是用户可选择的，可以通过I2C改变。
通道1(黄色/顶部线)- 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)
通道1(黄色/顶部线)-引脚# 2 (Heater_Zero)
通道2(蓝色/底线)-引脚# 10(频率检测器)
数字11显示看门狗定时器波形。如数字11，当I2C Virtual Input 1 - OUT1在656.25ms之前切换时，看门定时器输出为LOW，表示定时器在范围内，当I2C Virtual Input 1 - OUT1的切换时间大于设置的CNT周期时，定时器在656.25ms(默认)后到期，看门定时器输出变为HIGH。
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在设定的计数周期之前到达时，频率检测输出为HIGH，当连续边在设定的计数周期之后到达时，频率检测输出为LOW。
图12显示频率检测器输出。从图12，频率检测在输入信号频率为50Hz时输出为LOW，在输入信号频率为60Hz时输出为HIGH。
修改模式生成器
对于特定的功耗，通过I2C在PGEN宏cell上写入不同的模式。要重写不同的模式，建议执行以下步骤。
- 断言Software_Enable (I2C Virtual Input 0 - OUT0) LOW
- 在PGEN寄存器上写一个新的16位模式
- 断言Software_Enable HIGH
按顺序执行这些步骤可以保证写入PGEN寄存器的新数据的正确同步。表1显示PGEN宏单元的I2C地址。
|
I2C地址 |
PGEN数据位 |
|
0机加区 |
(15:0) |
|
0 xaf |
可控硅驱动电路
可控硅驱动电路由带有光可控硅的光隔离器和驱动负载的可控硅组成。
图13显示光隔离器与光可控硅。从图13，光隔离器由LED、过零探测器电路和光敏器件光可控硅(phototriac)组成。此隔离器隔离直流和交流信号。生成的模式GreenPAK器件连接到光隔离器的输入LED。过零检测电路精确检测每个交流信号的真实过零。
光隔离器的输出连接到功率可控硅，然后再连接到负载。在可控硅门处的正脉冲将其触发到ON状态。可控硅的特性是，当瞬时电压和负载电流降为零时，它在正弦电源电压的每半个周期自动关闭。可控硅开始锁存数据再次在下半个周期。可控硅可以通过将其两端的电流降低到其最小保持电流以下或当电源电压切断来关闭。功率可控硅上的信号是输入交流信号所需的周期跳过输出。
测试
图14描述了使用周期跳过逻辑的原理图GreenPAK．测试装置的主要部件有半波整流器，带光电晶体管的光隔离器，一个GreenPAK，光隔离器与光可控硅和可控硅。测试原理图显示了用于测试的光隔离器。光电晶体管的底座连接到GND以实现稳定的输出并减少由于电噪声引起的错误触发。
如图14，输入交流信号通过LIVE和中性端子施加，输出负载通过Load_LIVE和load_中性端子连接。有两个外部按钮，每个连接到按钮#1(引脚5)和按钮#2(引脚6)上GreenPAK．电阻分压器上的电压连接到输入电压(引脚9)上GreenPAK．同时设计了兼容I2C单片机进行软件控制。MCU的SCL线和SDA线分别连接GreenPAK的SCL和SDA线路通过上拉电阻。
图15在假定所有系统监控特性都在范围内的情况下，显示测试原理图的软件控制周期跳过输出。PGEN宏细胞上的数据通过I2C写入，步骤如下5.4．在16位之后，在第17条边，只要软件使能为HIGH，模式就会重复。一旦软件使能变为LOW，周期跳过输出也变为LOW。
通道1(洋红色/顶部线)-(交流输入)
通道2(黄色/第二行)-引脚2号(Heater_Zero)
通道3(黑色/第三线)- I2C虚拟输入0 -输出0(软件启用)
通道4(蓝色/第4行)-引脚#7 (Heater_Enable)
通道5(绿色/底线)-周期跳过输出
通道1(洋红色/顶部线)-(交流输入)
通道2(黄色/第二行)-引脚2号(Heater_Zero)
通道3(黑色/第三线)- PIN#5(按按钮#1)
通道4(蓝色/第4行)-引脚#7 (Heater_Enable)
通道5(绿色/底线)-周期跳过输出
图16在假设所有系统监控特性都在范围内的情况下，显示硬件控制周期跳过输出。在每个按钮按下，预编程的功率水平路由到Heater_Enable(引脚7)，并适当地显示在周期跳过输出。每个编程的功率级别都是8位模式。在第9位，如果按钮仍然被按下，模式将重复。一旦按钮被释放，Heater_Enable(引脚7)变为LOW，同时循环跳过输出。按下第5个按钮，预先设定的功率电平循环。
功能扩展
的GreenPAK可以配置任何能够通过I2C进行通信的MCU。DA14531 Smartbond微型开发工具包- usb由IOs组成，可配置为I2C通信的开漏输出。
演示电路板
图17使用DA14531 USB开发工具包显示循环跳过控制的测试设置。如图17， P0_2 (Port 0 - pin2)和P0_8 (Port 0 - pin8)引脚分别配置为SCL和SDA，用于I2C通信。DA14531 USB开发工具包的电源通过工具包中的USB端口提供。请按步骤操作5.4发送I2C命令GreenPAK的PGEN宏单元，用于修改模式。当I2C命令通过DA14531 USB开发工具包提供时，也获得了类似的周期跳过输出结果。
图18显示了周期跳过和相位切割逻辑的演示板。这种PCB可以很容易地在世界范围内使用GreenPAK设计支持50Hz和60Hz交流频率。用户只需要连接交流电源和负载即可。交流市电通过交流市电连接器接入单板。在这个演示中，灯泡被用作负载。
如图18电路板上有2个单独的可控硅驱动器和配置跳线，用于从周期跳过切换到相位切断逻辑。该设计是程序化的GreenPAK设计中有DIP插座和2个按钮，分别用于硬件控制和紧急停机。
测试点连接一个5V直流电源和通信到GreenPAKDIP插座通过一个I2C (SCL和SDA)兼容MCU存在于PCB的右上角。
该板还支持基于DA14531的Microbus插座进行控制GreenPAK通过I2C通信。
结论
的GreenPAK本应用说明中描述的设计易于使用，最大限度地降低成本，节省电路板空间和组件数量。
一般来说，mcu的IOs是有限的。因此，卸载控制到小而便宜GreenPAKICs保存IOs用于其他关键操作。
此外,这些GreenPAK集成电路灵活且易于测试。设计可以修改，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)。这种灵活性节省了时间，可以适应最后一分钟的设计更改。一旦设计被修改，只需点击几个按钮，就可以在芯片上编程新的设计文件，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。通过该设计，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。