大多數家用電器通常使用交流電源進行操作。循環跳躍邏輯可用于交流調光器、加熱器和炊具等電器。

這些電器由電力電子開關組成，如可控硅整流器（SCR）和交流三極管（TRIAC），它們定期打開/關閉以實現平穩運行。

在此控制中，負載在設定的周期數內打開，并在設定的周期數內關閉。圖 1 顯示了周期跳躍邏輯輸出。如圖1所示，負載在一個周期內導通，在一個周期內關閉。由于TRIAC的特性，負載完全關閉，詳見第3節。這種控制方案還降低了EMI，因為不存在過多的dI/dt。

通道 1（藍色/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 個部分。第1節描述了一個過零電路，第2節說明了使用GreenPAK生成不同模式（包括系統監控功能）的方法，第3節定義了用于驅動負載的TRIAC驅動器電路。

圖2：帶光電晶體管的光隔離器

1. 過零電路

過零電路由交流電源、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。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，并將整流輸出饋送到光隔離器的輸入LED。然后，來自LED的信號轉換為與輸入信號成比例的強度，并落在光電晶體管的基極上，從而觸發光電晶體管進入ON狀態。光電晶體管的輸出是直流信號，用于在GreenPAK中產生不同的圖案。圖3顯示了過零電路波形。

通道 1（藍色/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：過零電路波形

2. 綠包設計

圖 4 顯示了 GreenPAK 設計，用于生成不同的模式以驅動負載以及系統監控功能。這種設計可以在全球范圍內使用，因為它支持 50Hz 和 60Hz 交流頻率。這種設計包括兩個控件（即硬件和軟件）。它是在GreenPAK Designer軟件中創建的，完整的設計文件可以在這里找到。

過零電路的光電晶體管輸出到達Heater_Zero（引腳2）。然后，輸入信號的兩個邊沿在內部去抖動2.5ms，以確保正確的過零邊檢測。小節 2.1 描述硬件控制，小節 2.2 描述軟件控制，小節 2.3 描述系統監視功能。通過控制機制生成模式后，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驅動電路以驅動負載。

圖 4：綠色包裝設計

2.1 硬件控制

硬件控制技術需要一個外部低電平有效按鈕，該按鈕連接到Push_Button#1（引腳5）。如果按下按鈕的時間小于 50ms，則Heater_Enable（引腳 7）變為低電平，當按下按鈕的時間超過 50 毫秒時，編程模式將顯示在Heater_Enable上（引腳 7）。

片內設計了 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。每次按下按鈕都會執行通過DFF鏈生成的8位碼型（片上編程），并且僅在系統監控功能在范圍內時才在Heater_Enable（引腳7）上顯示碼型。在第五次按下按鈕時，圖案循環播放。

該控制包括 2 個系統監控功能 - 過溫保護 （OTP） 和緊急關機。

圖 5 顯示了硬件控制波形。如圖5所示，過零交流信號到達Heater_Enable（引腳2），每次按下按鈕（按鈕#1（引腳5））時，Heater_Enable上都會顯示一個圖案（引腳7）。當按下按鈕的時間少于 50ms 或系統監控功能超出范圍時，Heater_Enable （引腳 7） 保持低電平。

2.2 軟件控制

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

通道 1（黃色/頂線）– PIN#9（輸入電壓）

通道 2（藍色/第 2 行）– PIN#11（溫度監視器）

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 時序圖

當nReset終端保持為高電平時，數據顯示在PGEN的每個上升沿的輸出上，當nReset終端保持低電平時，第一個位（D0）顯示在其輸出上。圖6顯示了PGEN模塊的時序圖。在此設計中，PGEN 模塊上寫入 16 位，只要 nRESET 端子保持高電平，數據在 16 位后重復。只要所有系統監控功能 - 緊急關斷、OTP 和看門狗定時器都在范圍內，該模式就會顯示在Heater_Enable（引腳 7）上。

圖7顯示了軟件控制波形。如圖7所示，當軟件使能為高電平且所有系統監控功能都在范圍內時，該模式僅在Heater_Zero的每個上升沿（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（藍色/第 2 行）– PIN#11（溫度監視器）

D0 – I2C 輸出0 （軟件使能）

D1 – I2C 輸出1 （看門狗定時器輸入）

D2 – 引腳 #6 （按鈕 #2）

D3 – 引腳 #2 （Heater_Zero）

D4 – 引腳 #7 （Heater_Enable）

D5 – 引腳 #12 （看門狗定時器）

圖 8：OTP 原理圖

2.3 系統監控功能

OTP、緊急關斷、看門狗定時器和頻率檢測是本設計中包含的系統監控功能。

2.3.1 過溫保護

OTP 功能在硬件和軟件控制技術中均可用。此功能需要一個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。檢測電壓連接到輸入電壓 （PIN 9）。GreenPAK 內部的溫度范圍由一組 2 個模擬比較器 （ACMP） 和一個 LUT 實現。在該設計中，工作溫度范圍設置為0°C至60°C，分別對應于ACMP的2.176V至0.928V電壓范圍。當溫度超出范圍時，系統關閉，當溫度在范圍內時，設計根據所選的用戶控制（即硬件或軟件）運行。

圖9顯示了OTP波形。如圖9所示，溫度監控器輸出僅在溫度范圍內時為高電平，當溫度超出范圍時，輸出為低電平。

通道 1（黃色/頂線）– PIN# 9（輸入電壓）

通道 2（藍色/底線）– PIN# 11（溫度監視器）

圖 9：OTP 波形

2.3.2. 緊急關機

緊急關機具有最高優先級，此功能可用于硬件和軟件控制技術。此功能通過連接到IC上的按鈕#2（引腳6）輸入的外部有源低按鈕實現。按下按鈕時

通道 1（黃色/頂線）– PIN# 6（按鈕 #2）

通道 2（藍色/底線）– PIN# 2 （Heater_Zero）

D0 – 引腳# 7 （Heater_Enable）

圖10：緊急關機

Heater_Enable（引腳7）輸出變為低電平，系統關閉。松開按鈕后，系統會重新打開，具體取決于軟件或硬件控制以及其他系統監控功能是否在范圍內。圖 10 顯示了緊急關機功能。如圖10所示，按下按鈕時，Heater_Enable處的輸出（引腳7）被禁用。

2.3.3. 看門狗定時器

此功能僅在軟件控制中可用，并通過I2C兼容MCU進行控制。CNT3（8位）設置看門狗定時器的周期。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（看門狗定時器輸入）

通道 2（藍色/底線）–（CNT3 輸出）

D0 – 引腳# 12（看門狗定時器）

圖 11：看門狗定時器

通道 1（黃色/頂線）– PIN# 2 （Heater_Zero）通道 2（藍色/底線）– PIN# 10（頻率檢測）

圖 12：頻率檢測器

其控制數據寄存器，為656.25ms（默認）。定時器通過切換的 I2C 虛擬輸入 1 - OUT1 連續工作。如果MCU凍結或I2C虛擬輸入1 - OUT1在656.25ms之前未切換，則定時器將在656.25ms后過期，并在看門狗定時器（引腳12）產生3ms復位脈沖。如果定時器過期，則Heater_Enable（引腳7）為低電平，系統關閉。定時器周期和復位脈沖持續時間均可由用戶選擇，并可通過 I2C 進行更改。

圖11顯示了看門狗定時器波形。如圖11所示，當I2C虛擬輸入1 - OUT1在656.25ms之前切換時，看門狗定時器輸出為低電平并指示定時器在范圍內，當I2C虛擬輸入1 - OUT1在大于設定的CNT周期的時間切換時，定時器將在656.25ms（默認）后過期，看門狗定時器輸出變為高電平。

2.3.4. 頻率檢測器

CNT2用于檢測輸入信號的頻率。當輸入信號的連續邊沿在設定的計數器周期之前到達時，頻率檢測輸出為高電平;當連續邊沿晚于計數器周期到達時，頻率檢測輸出為低電平。

圖12顯示了頻率檢測器輸出。如圖12所示，當輸入信號頻率為50Hz時，頻率檢測輸出為低電平，當輸入信號頻率為60Hz時，輸出為高電平。

2.4 修改模式生成器

對于特定的功耗，通過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

按順序執行這些步驟可確保寫入PGEN寄存器上的新數據正確同步。表 1 顯示了 PGEN 宏單元的 I2C 地址。

表 1：PGEN I2C 地址

3. 可控硅驅動電路

可控硅驅動器電路由帶光電可控硅的光隔離器和用于驅動負載的可控硅組成。

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、過零檢測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。GreenPAK器件生成的圖案連接到光隔離器的輸入LED。過零檢測器電路可精確檢測每個交流信號的真正過零。

光隔離器的輸出連接到功率可控硅，然后與負載相連。TRIAC柵極處的正脈沖會觸發其進入ON狀態。可控硅的特性是，當瞬時電壓和負載電流降至零時，它在正弦電源電壓的每個半周期自動關斷。TRIAC在下一個半周期再次開始鎖存數據。TRIAC可以通過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關閉。功率可控硅處的信號是輸入交流信號的所需周期跳躍輸出。

圖 13：光電可控硅光隔離器

4. 測試

圖14描述了使用GreenPAK的周期跳躍邏輯示意圖。測試設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。測試原理圖顯示了用于測試的光隔離器。光電晶體管的基極連接到GND，以實現穩定的輸出并減少由于電噪聲引起的誤觸發。

如圖14所示，輸入交流信號施加在LIVE和中性端子上，輸出負載通過Load_LIVE和Load_Neutral端子連接。有兩個外部按鈕，每個按鈕連接到按鈕 #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I2C兼容MCU，用于軟件控制設計。MCU的SCL和SDA線分別通過上拉電阻連接到GreenPAK的SCL和SDA線。

圖14：周期跳躍測試原理圖

圖15顯示了測試原理圖的軟件控制周期跳躍輸出，假設所有系統監控功能都在范圍內。PGEN 宏單元上的數據按照第 2.4 小節中的步驟通過 I2C 寫入。16 位后，在第 17 邊沿，只要軟件啟用為 HIGH，模式就會重復。一旦軟件使能變為低電平，周期跳躍輸出也會變為低電平。

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顯示了假設所有系統監控功能都在范圍內的硬件控制周期跳躍輸出。每次按下按鈕時，預編程的功率電平被路由到Heater_Enable（引腳7），并適當地顯示在周期跳躍輸出上。每個編程功率電平均為 8 位模式。在第 9 位上，如果仍然按下按鈕，則重復該模式。松開按鈕后，Heater_Enable（引腳7）變為低電平，周期跳躍輸出也變為低電平。按下第 5 個按鈕時，預編程的功率電平循環通過。

5. 功能擴展

GreenPAK IC可以配置任何能夠通過I2C通信的MCU。DA14531 智能邦 TINY? 開發套件 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 開發套件的測試原理圖

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 開發套件進行周期跳躍控制的測試設置。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 開發套件的電源通過套件中的 USB 端口提供。請按照第 2.4 小節中的步驟將 I2C 命令發送到 GreenPAK 的 PGEN 宏單元以修改模式。當通過DA14531 USB開發套件提供I2C命令時，可以獲得類似的周期跳躍輸出結果。

圖18顯示了周期跳躍和切相邏輯的演示板。該 PCB 可在全球范圍內輕松使用，因為 GreenPAK 設計支持 50Hz 和 60Hz 交流頻率。用戶只需連接交流電源和負載。交流電源通過交流電源連接器施加到電路板上。在本演示中，燈泡用作負載。

如圖18所示，電路板上有2個獨立的TRIAC驅動器和配置跳線，用于從周期跳躍切換到切相邏輯。該設計在GreenPAK DIP插座上編程，并存在2個按鈕，分別用于設計的硬件控制和緊急關機。

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

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

結論

本文介紹的GreenPAK設計易于使用，最大限度地降低了成本，節省了電路板空間和元件數量。通常，MCU的IO有限。因此，將控制卸載到小型且廉價的IC上可以節省IO用于其他關鍵操作。

此外，這些IC靈活且易于測試。可以修改設計以包括額外的系統監控功能、增加/減少模式長度以及模式數量（僅限硬件控制）。這種靈活性可以節省時間，并且可以適應最后一刻的設計更改。修改設計后，只需單擊幾個按鈕即可在片上對新的設計文件進行編程，然后重新焊接到電路板上。它還通過鎖定設計文件來限制可見性，從而提供設計安全性。通過使用這種設計，用戶可以通過按鈕控制4個8位模式，通過I2C控制16位模式。

審核編輯：郭婷