合泰单片机交流电过零检测方案

I in > I out
VRMS − VVDD VRMS / 2 V −V 2 = = = RMS VDD X C5 + R 7 X C5 + R 7 1 2 + R7 2 π C 5
2
(1)
HT46R47 对 AC 过零信号进行检测
其中，
VRMS 表示 AC 正弦波电源之 RMS 电压。 VRMS / 2 表示一半之 VRMS 。因为，输出电容 C5 只工作在半波。 VVDD 表示稳压器电压。
声可能对 MCU I/O 造成的过流及过压破坏。
• 为保护 MCU I/O，一般 AC LINE 至 MCU I/O 串联电阻应大于 1M/100V。 • Max. current into an input pin 在 HT46R47 的 I/O pin 上应该满足 Ipeak <= 400µA， 外接 ZCD
I out =
230 − 5.1 = 34.21mA 1 2 + 51 + 51 −6 2π *50*1*10
如果输入电压 110V AC/60Hz，那么最大输出电流 Iout 可以计算得：
I out =
110 − 5.1 = 19.03mA 1 2 + 51 + 51 −6 2π *60*1*10
图7
LED 输出电路
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HT46R47 对 AC 过零信号进行检测
PCB 综合 Layout 图
由本文所设计的 PCB 综合 Layout 图如图 8 所示。在 PCB Layout 时，有几点值得注意：
• MCU 的 VDD 和 VSS 最好是平行走线 • 复位和晶振信号走线应尽量短 • 与 MCU 相连接信号最好用 GND 地信号覆盖
C7 10 4
R8 330R R7 330R LED2
4M H Z Y1
+5V RST
R6 10K
LED1
H T 4 6R 47
C8 10 4
图1
电源电路
供给 HT46R47 的电源是通过阻容降压来获得的，其具体电路由 R7、R3、C5、D1、D6、 C1 和 C4 构成，如图 2 所示。在该范例中，所设计之总输入电流一般来说，在一定的工作 电源下必须满足最大输出电流。最大输出电流可以通过如下公式计算出：
对于 HT46R47 所有 I/O Pin 来说，都有一个最大注入电流 I j _ max ( I peak )，其典型数值为 400A。所以在设计过程中，其注入电流 Ij 务必小于最大注入电流 I j _ max ( I peak )，可以通 过如下公式计算：
Ij =
VRMS < I j _ max = 400uA R1 + R2
(2)
如果 VRMS =230V，R1=R2=2M ohms，可以得到注入电流为： :
Ij =
230 = 57.5uA < 400uA 2*10 + 2*106
6
当输入的 AC 电源为 230V AC/50Hz， 相应 ZCD 电路的实际波形如图 4 (无负载时) 和图 5 (带 负载时)。 这里 CH1 连接测试点 TP2；而 CH2 连接测试点 TP1。在图 6 所示中，当 PA5 Pin 上之输入信号电位从 0V 上升到 0.7VDD=0.7×5V=3.5V (即高准位门限值，请参照 Datasheet 之 DC 特性)，此时输入信号的过零点将滞后 240µs。当然，改变两个限流电阻 R1 和 R2 的 阻值，可以改变过零点滞后时间。由此可见，合适的滞后时间不会影响 AC 电源频率测量 的精度，所以我们建议过零点限流电阻阻值最好选取为 4MΩ~ 5MΩ，从而保证过零注入 电流 Ij <
START
Reset flag charged? Y N
Reset on normal operation
Power on reset
ZCD arriving? Y
N
ZCD
CLR PB reset N ZCD ?
Y
图 10 Main 流程图
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HT46R47 对 AC 过零信号进行检测
由 PA5 pin 下降沿输入引起的外部中断子程序是在 INT_ISR 中处理的，其流程图如图 11 所 示。在 HT46R47 掩膜选项中，应设置 PA5 为 non-pull-up。当程序运行时，如果检测到第一 个过零点信号，就进入该中断：开启 Timer 和开始对计数变量 (phase_position) 计数；如果 是第二次进入该中断，则停止计数同时计下计数变量之数值。这样，通过比较计数变量之 大小就可以知道当前 AC 电源之工作频率，并且点亮相应之 LED。例如，已知进入中断的 时间间隔为 125s，并且测得计数变量数值为 158，那么根据如下表达式可以得知当前 AC 电源之工作频率为 50.63Hz：
限流电阻数值最好选取在 4M ~ 5MΩ 范围内。
• 满足更好的 EMC 对策，建议通过软件和硬件两个方面来解决，如图 1 中添加 EMI 输入
滤波器和流程图 10 中加入重置旗标的方法。
11
f AC _ line =
1 = 50.63Hz 158 x125us
其中，定时中断子程序 TMR_ISR 流程图如图 12 Baidu Nhomakorabea示。
START
Save locale data
1st interrupt ? Y Set interrupt flag Clear the counting value
N
Clear interrupt flag Save the counting value
I peak (400µA)而又不会出现波形变形。
图4
ZCD 电路实际波形 (无负载)
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HT46R47 对 AC 过零信号进行检测
图5
ZCD 电路实际波形 (有负载)
图6
ZCD 电路实际波形 (上升时间)
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HT46R47 对 AC 过零信号进行检测
注意：当输入 230V 电压时，限流电阻两端需要承受的最大电压大约是 325V。因此，为了 避免过压而损害电阻之现象发生，通常情况下我们会外接两个电阻器。例如，对于如 1206 SMD (Surface Mount Device) 类型的电阻器来说，它们的耐压值只有 200V，这时就需要外 接两个电阻器。
X C5 代表 C5 之电容抗数值。
从公式 (1) 来看，只要输出电流 Iout 小于或者等于 (理想状态下) 输入电流 Iin，其中输出电 压会保持不变。 由电阻 R7 和电容 C5 决定输入电流 Iin 之大小， 需要设计多大之输出电流 Iout 必须考虑流过电容 C5 之最大电流。 在这里，如果输入电压 230V AC/50Hz，那么最大输出电流 Iout 可以计算得：
说明：在实际测得之最大输出电流为 31mA (@230V AC/50Hz, C5=1000nF)。一般来说，实 际测得之最大输出电流会小于所计算数值。另外，我们在设计最大输出电流时，我们保留 一定数值的余量（大约 20%） 。
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HT46R47 对 AC 过零信号进行检测
图2
电源电路
零点检测电路 (ZCD)
HT46R47 对 AC 过零信号进行检测
HT46R47 对 AC 过零信号进行检测
文件编码：HA0157S
简介
该应用范例提供一种简单方法来测量关于 AC 电源零点、电源线频率和相关相角等参数。 这种方法就是通过 AC 电源线外接一个或几个组件直接接 Holtek MCU 的一个 I/O Port，并 且电源信号可以是不同频率 (50/60Hz) 的几百伏特电压。该方法主要应用于对 AC 电源类 参数之测量和控制的产品中，其中典型应用有：电源开关时序控制 (比如马达控制、照明、 加热器等控制)、电功率和功率因素调整、相线控制等产品，特别在家电领域得到更广泛地 应用。 在该应用范例中，我们将以 HT46R47 为母体，利用这种方法制作一款检测 AC 电源工作频 率的 Demo Board。接下来，将详细介绍这种方法的设计过程与注意事项。
Restore locale data
RETI
图 11
INT_ISR 流程图
10
HT46R47 对 AC 过零信号进行检测
图 12
TMR_ISR 流程图
结论
• MCU 内置反向二极管是做为 ESD 防护。 • 由 AC LINE 直接连接至 MCU I/O，主要须考虑的是来自 AC LINE 的浪涌电压及高频噪
Z1 5.1V D1
C4 470U/16V
C5 104
1N4007 +5V R5 100K
R3 2M
R4 2M
U1
1 PA3/PFD PA2 PA1 PA0 PB3/AN3 PB2/AN2 PB1/AN1 PB0/AN0 VSS PA4/TMR PA5/INT PA6 PA7/SDA OSC2 OSC1 VDD RES PD0/SCL 18 RST
LED 输出电路
在该应用 Demo Board 中，输出电路是由两个限流电阻和两个 LED 构成，分别由 HT46R47 的两个 I/O Pin 直接控制，如图 7 所示。因此，对于本 Demo Board 来说，其输出电流主要 提供给两个 LED --- 用于指示当前 AC 电源频率是 50Hz 还是 60Hz。在设计过程中，最大 输出电流 Iout 必须保证 LED 的正常光亮。
图 8 PCB 综合图 最终之 Demo Board 实物外观图如图 9 所示。
图9
Demo Board 实物外观图
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HT46R47 对 AC 过零信号进行检测
软件流程图
该范例程序用汇编语言撰写，它包含几个子程序：由 PA5 pin 输入引起的外部中断子程序、 内部定时器溢出中断子程序、特殊缓存器初始化子程序和通用缓存器初始化子程序等。其 中，主程序 Main 的程序流程图如 10 所示。
为了同步每一个工作周期，必须给 MCU 输入一个过零点信号，其中，设计 ZCD 电路来实 现这个功能。零点检测电路它是由外部两个限流电阻 R1 和 R2、一个等效电容 (典型值为： 5~10pF) 和两个内部限幅二极管构成，其等效电路如图 3 所示。
图3
ZCD 电路
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HT46R47 对 AC 过零信号进行检测
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HT46R47 对 AC 过零信号进行检测
原理方块图与设计过程
在该应用范例中，其中最重要部分就是如何设计一个 ZCD (Zero Crossing Detection) 过零检 测电路。因此，在设计过程中我们应该重点考虑以下几个问题：
• 主电源电路设计 • ZCD 限流电阻取值问题 • LED 输出电路设计
工作原理
该应用电路的一个特点在于在所有 Holtek MCU 的 I/O Pin 上存在一个保护电路， 即在 MCU I/O Pin 上分别接有两个 PN 结二极管：一个与 VDD 相接；另一个与 VSS 相接，如图 3 所 示。这样的设计，可以保护 I/O Pin 免受浪涌电压或者 HF-noise 的冲击而造成 EOS 损坏。 并且可以直接将高电压信号通过一个或者两个限流电阻接到 I/O Pin 上，这样就可以接成 ZCD (Zero Crossing Detection) 电路。 通过读取该 I/O Pin 上的信号， 就可以控制或者测量来 自 AC 电源之参数，如过零点、相线频率和相角等。这种方法主要应用于使用 AC 电源之 产品上，特别是家用电器。在该应用范例中，我们利用这个原理设计了一款检测 AC 电源 频率的 Demo Board。借此说明这个原理。
原理图
该原理图主要包括：EMI filter 对策电路 (可选部分，经常用于家电类产品)、阻容式电源电 路、零点检测电路和 LED 输出电路等，如图 1 所示。
N C1 0.47U/275V L F0 L1 100uH---400uH C2 0.1U/275V R1 51R/2W R2 51R/2W C3 105/275V +5V ZNR?