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作者:Krupa Bhavsar
介绍
大多数家用电器一般使用交流电源运行。切相逻辑可用于电器，如交流调光器和灯泡。这些电器包括电力电子开关，如可控硅整流器(SCR)和交流电三极管(Triode for交流电)，定期打开/关闭，以实现平稳运行。
在这个控制中，负载在半个周期的一部分被打开，在半个周期的一部分被关闭。这种在一个周期的一部分时间内打开的现象减少了整体的电力消耗。图1显示相位切割逻辑输出。所示图1，负载在每个方向上打开一个周期的一小部分，在每个方向上关闭一个周期的一部分。由于triac的特性，负载在每次过零时完全关闭6．
通道1(蓝色/顶部线)-交流电源
通道2(绿色/底线)-相位切割输出
本应用说明分为三个部分。4描述过零电路，5说明了不同相位延迟的产生，包括系统监控功能的使用GreenPAK［5］，而且6定义了用于驱动负载的可控硅驱动电路。
讨论二阶导数过零电路
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。这个光隔离器由一个LED，一束光和光电晶体管组成，如图所示图2．半波整流器对高压交流输入进行整流，并将整流输出馈送到光隔离器的输入LED。来自LED的信号以与输入信号成正比的强度传播，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，用来产生不同的图形GreenPAK．
图3显示过零电路波形。见图3，光电晶体管输出处的直流信号在真过零前后触发。真正过零被定义为交流信号达到零电压的确切时间。这个时移在GreenPAK相位延迟也相应调整。
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/底部线)-光隔离器输出
GreenPAK设计
图4揭示了GreenPAK设计产生各种相位延迟驱动负载与系统监控功能。这GreenPAK设计可以在世界范围内使用，因为它支持50Hz和60Hz的交流频率。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加热零点(引脚2)GreenPAK．所示图3，光电晶体管输出的直流信号在高压交流信号达到它的真正过零之前被触发开。因此，光电晶体管输出的上升沿在内部被延迟，输入信号的脉宽根据输入信号的频率即50Hz和60Hz计算。
5.1描述了硬件控制，5.2说明了软件控制，和5.3描述了系统监控特性。在产生相位延迟之后，它们被路由并显示在Heater_Enable (Pin7)上。这个Heater_Enable(引脚7)然后连接到可控硅驱动电路驱动负载。
硬件控制
硬件控制技术需要一个外部主动LOW按钮，并连接到Push_Button #1(引脚5)上GreenPAK．
CNT4/DLY4 (3ms)和CNT5/DLY5 (5ms)用于芯片上的2相位延迟编程。每个相位延迟有8位分辨率，用户可选择。这些相位延迟与两个输入频率兼容，即50Hz和60Hz。只有当系统监控功能-过温保护(OTP)和紧急关机，在范围内时，按钮的备用切换按钮在Heater_Enable(引脚7)上显示相同的相位延迟。
数字5展示硬件控制波形。见图5，零交叉的交流信号到达Heater_Enable(引脚2)，在每个备用按钮按下(按钮#1 -引脚5)，相同的相位延迟传播到Heater_Enable(引脚7)。当按钮释放或当系统监控功能超出范围时，Heater_Enable(引脚7)保持LOW。
通道1(黄色/顶部线)-引脚9(输入电压)
通道2(蓝色/第二条线)-引脚7 (Heater_Enable)
D0 -引脚#6(按钮#2)
D1 -引脚#5(按钮#1)
D2 -引脚2(加热器0)
D3 - PIN#11(温度监视器)
软件控制
软件控制通过来自外部I2C兼容MCU的I2C通信进行操作。
在该控件中，通过I2C修改CNT0/DLY0(16位分辨率)的控制数据寄存器。通过I2C写入适当的相位延迟后，相位延迟被路由并显示在Heater_Enable(引脚7)上，只要所有系统监控功能-紧急关机，OTP和看门狗定时器在范围内。5.4定义了通过I2C修改CNT0/DLY0控制数据寄存器的推荐步骤。
图6揭示了软件控制波形。所示图6，相位延迟只显示在Heater_Enable(引脚7)，当软件使能为高，所有系统监控功能在范围内。
系统监控功能
OTP、紧急关机、看门狗定时器和频率检测器是包括在其中的系统监控功能GreenPAK设计。
通道1(黄色/顶部线)-引脚9(输入电压)
通道2(蓝色/第二条线)-引脚7 (Heater_Enable)
D0 -引脚#6(按钮#2)
D1 - I2C虚拟输入0 - OUT0(软件使能)
D2 -引脚2(加热器0)
D3 - PIN#11(温度监视器)
D4 - I2C虚拟输入1 - OUT1(看门狗定时器In)
D5 -引脚12(看门狗定时器)
在温度保护
OTP特性在硬件和软件控制技术中都是可用的。这一特性需要一个带有热敏电阻的外部电阻分压器。热敏电阻器是一种温度依赖性电阻器，其电阻随温度升高而减小。
图7图示OTP原理图。感知电压连接到输入电压(PIN 9)上GreenPAK．内部的温度范围GreenPAK是由一组两个模拟比较器(ACMP)和一个LUT完成的。在本设计中，工作温度范围设置为0˚C ~ 60˚C，分别对应acmp的电压范围为2.176V ~ 0.928V。当温度超出范围时，系统关闭，当温度在范围内时，根据所选的用户控制，即硬件或软件，设计功能。
图8显示OTP波形。见图8，当温度在范围内时，温度监视器输出为HIGH，当温度超出范围时，输出为LOW。
通道1(黄色/顶部线)-引脚9(输入电压)
通道2(蓝色/底部线)- PIN# 11(温度监视器)
紧急停车
紧急关机具有最高优先级，该功能可用于硬件和软件控制技术。该功能通过一个外部主动低按钮来实现，该按钮连接到2号按钮(引脚6)上GreenPAKIC.当按下按钮时，Heater_Enable(引脚7)输出变为LOW，系统关闭。当松开按钮时，根据软件或硬件控制以及其他系统监控功能是否在范围内，系统将返回ON。
通道1(黄色/顶部线)-引脚# 6(按钮#2)
通道2(蓝色/底部线)-引脚# 7 (Heater_Enable)
D0 -引脚2(加热器0)
图9描述紧急关机功能。所示图9，当按钮被按下时，在Heater_Enable(引脚7)的输出变为LOW。
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控制。CNT3(8位)设置看门狗定时器的周期。在POR中，CNT3加载的周期由其控制数据寄存器确定，为656.25ms(默认值)。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在默认设置时间后被切换，那么定时器在656.25ms后过期，并在看门狗定时器(引脚12)产生复位脉冲。当计时器到期时，Heater_Enable(引脚7)走LOW，系统关闭。定时器周期由用户选择，可通过I2C进行更改。
通道1(黄线/顶线)- (I2C虚拟输入1 -输出1)
频道2(蓝色/底部线)- (CNT3输出)
D0 -引脚12(看门狗定时器)
数字10显示看门狗定时器波形。所示数字10，当在656.25ms之前切换I2C虚拟输入1 - OUT1时，看门狗定时器输出为LOW，表示定时器在范围内。当在CNT3的默认时间后切换I2C虚拟输入1 - OUT1时，定时器在656.25ms(默认)后过期，看门狗定时器输出产生复位脉冲。
通道1(黄色/顶部线)-引脚2(加热器0)
通道2(蓝色/底部线)-引脚10(频率检测)
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置的计数器周期之前到达时，频率检测输出为HIGH;当连续边在设置的计数器周期之后到达时，频率检测输出为LOW。
图11显示频率检测器输出。见图11当输入信号频率为50Hz时，频率检测输出为LOW，当输入信号频率为60Hz时，频率检测输出为HIGH。
修改相位延迟
对于特定的功耗，通过I2C在CNT0/DLY0宏单元中写入不同的相位延迟。要重写不同的相位延迟，建议执行以下步骤。
- 断言Software_Enable (I2C虚拟输入0 - OUT0) LOW
- 在CNT0/DLY0寄存器上写入新的相位延迟时间
- 断言Software_Enable高
按顺序执行这些步骤可以确保在CNT0/DLY0寄存器中写入的新数据的正确同步。表1描述了CNT0/DLY0宏cell的I2C地址。
|
I2C地址 |
CNT0 / DLY0数据位 |
|
0 x95 |
D (15:0) |
|
0 x96 |
双向可控硅驱动电路
可控硅驱动电路由光隔离器和光可控硅和驱动负载的可控硅组成。
图12显示带有光可控硅的光隔离器。表示在图12，该光隔离器由LED和光敏器件光可控硅组成。该隔离器隔离直流和交流信号。产生的相位延迟GreenPAK设备连接到光隔离器的输入LED上。这些信号通过LED发射传播并落在光可控硅的门上。
光可控硅的输出连接到功率可控硅，然后再连接到负载。在可控硅闸处的一个正脉冲触发它进入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半个周期自动关闭。可控硅可控硅在下半个周期再次开始锁存数据。可控硅可通过降低其两端的电流低于其最小保持电流或当电源电压被切断来关闭。功率可控硅信号处的信号是输入交流信号的期望切相输出。
测试
图13给出了相位切割逻辑的原理图GreenPAK．测试装置的主要部件是半波整流器、带光电晶体管的光隔离器、光电晶体管和光电晶体管GreenPAK，一个光隔离器与光可控硅，和一个可控硅。测试原理图显示了用于测试的光隔离器。光电晶体管的底座与GND连接，以实现稳定的输出，减少因电噪声引起的假触发。
表示在图13，输入交流信号应用于活端和中性端。输出负载通过Load_LIVE和Load_Neutral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．通过电阻分压器的电压连接到输入电压(引脚9)上GreenPAK．本设计还采用了兼容I2C的单片机进行软件控制。单片机的SCL和SDA线分别连接到GreenPAK的SCL和SDA线通过上拉电阻。
图14在假定所有系统监控特征都在范围内的情况下，显示测试原理图的软件控制相位切割输出。CNT0/DLY0 macrocell上的数据通过I2C写入，步骤如下5.4．根据CNT0/DLY0上设置的相位延迟，相位延迟输出显示在Heater_Enable (Pin 7)上，适当的相位切割输出也显示在图14．只有当软件使能为高时，相位切割输出才会出现在负载上。一旦软件启用了LOW，相切输出也为LOW。
图15在假设所有系统监控特性都在范围内的情况下，显示硬件控制相位切割输出。在每个备用按钮按下，预先编程的相位延迟路由到Heater_Enable(引脚7)，并适当地显示在相位切割输出。一旦按钮被释放，Heater_Enable(引脚7)去低，同时相位切割输出。
功能扩展
的GreenPAK可配置任何能够通过I2C进行通信的MCU。DA14531 Smartbond微型开发包- usb由IOs组成，可配置为I2C通信的开放引流输出。
通道1(洋红色/顶部线)-(交流输入)
通道2(黄色/2线)-引脚2(加热器0)
通道3(黑色/第三线)- I2C虚拟输入0 - OUT0(软件启用)
通道4(蓝色/第4线)- PIN#7 (Heater_Enable)
通道5(绿色/底线)-循环跳过输出
通道1(洋红色/顶部线)-(交流输入)
通道2(黄色/2线)-引脚2(加热器0)
通道3(黑色/第三线)-引脚#5(按按钮#1)
通道4(蓝色/第4线)- PIN#7 (Heater_Enable)
通道5(绿色/底线)-循环跳过输出
图16使用DA14531 USB开发工具包显示相切逻辑的测试设置。DA14531 USB开发套件的电源通过套件中的USB端口提供。在展出图16P0_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。请按照步骤进去5.4发送I2C命令GreenPAK的CNT0/DLY0宏单元用于修改相位延迟。当从DA14531 USB开发工具包提供I2C命令时，相位切割输出也获得了类似的结果。
演示电路板
图17显示了用于相位切割和周期跳过逻辑的演示板。该PCB可随时用于世界各地作为GreenPAK设计支持50Hz和60Hz交流频率。交流市电通过交流市电连接器接入单板。为了演示，用一个灯泡作为负载。
用户只需连接交流市电和负载即可。
正如从图17，两个单独的可控硅驱动器和配置跳线出现在板上，从相切切换到循环跳线逻辑。本设计是在计算机上编程完成的GreenPAKPCB上有DIP插座和2个按钮，分别用于硬件控制设计和紧急关机。
连接5V直流电源和通信的测试点GreenPAKDIP插座通过一个I2C (SCL和SDA)兼容的MCU出现在PCB的右上角。
该板还支持基于DA14531的Microbus插座来控制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，将成本降至最低，节省电路板空间和组件数量。
一般来说，mcu的IOs数量有限。因此，卸载控制到小而便宜GreenPAKICs为其他关键操作保存IOs。
此外,这些GreenPAK集成电路灵活且易于测试。设计可以修改，包括附加的系统监控功能和增加/减少编程相位延迟的数量(仅限硬件控制)。一旦设计被修改，一个新的设计文件可以在芯片上编程与点击几个按钮和重新焊接板上。这种灵活性可以节省时间，并可以适应最后一分钟的设计更改。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，用户通过I2C和一个外部按钮控制相位延迟。