利用智能交流電控制增加家電系統(tǒng)的安全性

如今，全世界至少有60%的家庭用品采用了電子器件。對(duì)于在售的電器設(shè)備來說，已經(jīng)完成從原來的機(jī)電式到數(shù)字控制的升級(jí)，目前的系統(tǒng)架構(gòu)都是圍繞著微處理器、分立晶體管和高壓可控硅來實(shí)現(xiàn)的。這一變化某種程度上也是由于節(jié)能和節(jié)水，以及增加消費(fèi)者的易用性等方面的需求增長(zhǎng)所促進(jìn)的結(jié)果。

對(duì)于家用電器設(shè)備制造商來說，性能和成本效益始終是主要的挑戰(zhàn)，而市場(chǎng)的全球化和標(biāo)準(zhǔn)也為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)增加了難度。正是由于這一點(diǎn)使得交流電源的控制不斷發(fā)生改變。家電市場(chǎng)上的差異化方面的強(qiáng)烈需求迫使制造商改進(jìn)系統(tǒng)的電器性能，并提供在正常工作或待機(jī)模式下節(jié)電或節(jié)能方面的新功能。

性能和安全方面的改進(jìn)

當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)師的目標(biāo)是追求高的抗干擾性能并增加魯棒性。IEC61000-4系列標(biāo)準(zhǔn)涉及的是交流電源線方面的電磁兼容要求，例如高壓浪涌、快速瞬變沖擊以及靜電放電。該標(biāo)準(zhǔn)定義了電源控制板抗干擾的等級(jí)和具體標(biāo)準(zhǔn)值，并要求逐步增加家電系統(tǒng)的抗干擾能力和魯棒性。

例如，在冰箱設(shè)計(jì)中，通過利用數(shù)字控制實(shí)現(xiàn)更好的食品保存性能和更高的壓縮機(jī)效率：即可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)3℃溫差的箱體降低20%的功耗。在洗衣機(jī)中的一個(gè)安全方面的任務(wù)是能夠收集并分析電氣和洗衣參數(shù)，避免出現(xiàn)溢水或缺水。能夠在電源控制電路的幫助下，實(shí)現(xiàn)命令停止加熱器件，打開水閥或打開排水泵。

固態(tài)交流開關(guān)方面的連續(xù)改進(jìn)

在早期的電路板上，可控硅滿足了緊湊簡(jiǎn)潔的應(yīng)用。可控硅的體積比電流小于1安培的繼電器小5倍，但卻提供了無EMI干擾的開關(guān)性能、快速響應(yīng)時(shí)間和數(shù)百萬(wàn)次的開關(guān)周期可靠性，還有較低功耗的驅(qū)動(dòng)。為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化電源設(shè)計(jì)，對(duì)可控硅進(jìn)行了改進(jìn)，去掉了與標(biāo)準(zhǔn)的可控硅并聯(lián)的緩沖電路，設(shè)計(jì)師只需考慮根據(jù)載荷關(guān)斷電流來選擇的整流參數(shù)(dI/dt)C。

不過，可控硅僅在其額定阻斷電壓(VDRM/VRRM)范圍內(nèi)是可靠的。在此范圍以外，過壓將會(huì)使其開關(guān)性能永久變壞：一個(gè)不受控的過壓觸發(fā)將會(huì)激發(fā)其結(jié)區(qū)中的熱點(diǎn)。因此，可控硅必須利用外部的抑制器進(jìn)行保護(hù)。

最關(guān)鍵的約束是在IEC61000-4-5標(biāo)準(zhǔn)中描述的電壓浪涌。通常要求能夠抗2kV 1.2/50us的浪涌。為了能夠抗此40焦耳的浪涌，可以采用以下兩種主要方法：鉗制―利用像壓敏電阻這樣的外部電壓抑制器來吸收浪涌能量；短路器(Crowbar)―可控硅安全接通，浪涌能量被消耗到負(fù)載阻抗中。

新型的受保護(hù)的可控硅基于雙面全平面(bi-face full planar)技術(shù)開發(fā)，具有優(yōu)異的內(nèi)置過壓魯棒性，因此提高了系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)端電壓超過雪崩電壓時(shí)，開關(guān)可靠地觸發(fā)至短路模式。該電壓迅速地降到幾伏，過壓電壓被轉(zhuǎn)換成電流流過開關(guān)。平面工藝的交流開關(guān)隨后在周期的末尾重新恢復(fù)阻斷功能，這與IEC60730標(biāo)準(zhǔn)是一致的。

ACS在實(shí)現(xiàn)可靠性和設(shè)計(jì)容易性的集成目標(biāo)同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步的改進(jìn)。這種新開關(guān)中集成了一個(gè)門電平變換器(gate level shifter)，使得MCU邏輯電平驅(qū)動(dòng)具有更高的抗電氣瞬變干擾的性能。例如，0.8A的開關(guān)能保證500V/us的抗浪涌能力，是具有相同門敏感度(IGT=10mA)對(duì)應(yīng)的可控硅的10倍。

由于不需要任何的噪聲抑制器，從而簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，而且整個(gè)控制能夠滿足IEC61000-4-4標(biāo)準(zhǔn)。在執(zhí)行水閥的開關(guān)控制時(shí)，一個(gè)0.8A交流開關(guān)能夠安全地承受切斷操作，利用箝位來吸收負(fù)載的感應(yīng)能量。設(shè)計(jì)所保證的開關(guān)能量的容量必須利用一個(gè)28H的高感性負(fù)載來進(jìn)行苛刻的測(cè)試驗(yàn)證。

目前，ACS開關(guān)的獨(dú)特門架構(gòu)使得芯片的背部電氣性能更加穩(wěn)定，這在以前的可控硅架構(gòu)中是不可能的：交流開關(guān)陣列可以封裝在單封裝內(nèi)，專門用于像洗碗機(jī)這類應(yīng)用中的集中式制動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。

冰箱中的節(jié)能

電氣控制通過消除啟動(dòng)器(starter)漏電并提供更好的溫度控制來改善壓縮機(jī)效率。啟動(dòng)器是一個(gè)正溫度系數(shù)電阻(PTC)，它不斷地吸收因其漏電而產(chǎn)生的2.5W能量。如果在啟動(dòng)后用一個(gè)固態(tài)交流開關(guān)關(guān)掉PTC，就可以消除此損耗。平穩(wěn)的溫度控制可以減少20%的平均輸入功率，并可以將壓縮機(jī)的通斷重復(fù)率增加50%。

壓縮機(jī)10年的壽命相當(dāng)于27萬(wàn)次的通斷周期，這就能說明使用固態(tài)技術(shù)的意義。由于能抗2kV的過壓和200V/us的瞬態(tài)沖擊，新型的平面可控硅或ACS提供了所需的斷態(tài)(off-state)可靠性。以與機(jī)電解決方案相近的系統(tǒng)成本，固態(tài)技術(shù)的突破使得電冰箱或其他制冷設(shè)備能夠滿足A+的耗能標(biāo)準(zhǔn)，帶來更好的食品儲(chǔ)藏效果，以及沒有瞬間放電和EMI干擾。

交流開關(guān)及其控制

隨著系統(tǒng)級(jí)封裝和電源平面技術(shù)的應(yīng)用，人們已經(jīng)可以設(shè)想用微模塊將交流開關(guān)和電源控制結(jié)合在一起。由于ACS芯片背后有一個(gè)穩(wěn)定的電壓，下一步它可以被替換成一個(gè)電源IC以實(shí)現(xiàn)新的功能，例如故障檢測(cè)或過載過熱保護(hù)。

UL和IEC標(biāo)準(zhǔn)中增強(qiáng)了家電的安全要求。家電控制監(jiān)測(cè)交流開關(guān)的工作狀態(tài)并檢測(cè)故障模式，在靠近開關(guān)處，需要利用一個(gè)檢測(cè)電路來感應(yīng)AC的工作狀態(tài)。一些嚴(yán)重的負(fù)載和家電故障可以避免，比如由于可控硅二極管模式故障所引起的高電感負(fù)載的DC操作，以及阻性負(fù)載的過熱，或由于開關(guān)短路引起的溢水。小型交流開關(guān)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，例如ST公司的NeoS項(xiàng)目，通過以具有成本效益的方式來檢測(cè)開關(guān)失效來應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。利用一個(gè)AC檢測(cè)器可以監(jiān)控所有的開關(guān)狀態(tài)，并與驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行比較，防止家電發(fā)生重大故障。

圖1：受保護(hù)的交流開關(guān)：NeOS實(shí)例。

此外，開關(guān)實(shí)現(xiàn)熱保護(hù)的功能開辟了一個(gè)防止過載的一個(gè)新途徑。已知交流開關(guān)的熱狀態(tài)可以設(shè)計(jì)一個(gè)關(guān)斷保護(hù)，于是，如果在最后裝配階段電氣制動(dòng)器被錯(cuò)接，或者在特定應(yīng)力作用下逐漸損壞，開關(guān)就能檢測(cè)出故障。預(yù)警信號(hào)將信息提供給控制電路，從而將維修范圍限制到制動(dòng)器，而不是整個(gè)設(shè)備。

圖2：開關(guān)故障檢測(cè)器防止家電發(fā)生災(zāi)難性事件。

通過在各種惡劣環(huán)境下的嚴(yán)苛電氣負(fù)載，像冷氣扇、排水泵或加熱器件的測(cè)試，已經(jīng)證明這類保護(hù)是可行的。目前，開關(guān)檢測(cè)和過載監(jiān)控功能已經(jīng)可以以具有成本效益的方式實(shí)現(xiàn)，從而為用于家電的遠(yuǎn)程維修設(shè)備的研發(fā)鋪平了道路。

本文小結(jié)

通過開發(fā)魯棒的和全平面的交流電源開關(guān)和交流電源控制電路，使得產(chǎn)品性能、節(jié)電和節(jié)省資源性能，以及用戶安全和易用性都得到了改進(jìn)。這些器件增加了電源驅(qū)動(dòng)過程中的電磁兼容性能，其過壓魯棒性和抗瞬態(tài)干擾的能力，使得設(shè)備能夠滿足并超過國(guó)際EMC標(biāo)準(zhǔn)。

在控制材料成本的同時(shí)，它們還提升了可靠性和應(yīng)用控制的質(zhì)量。由于它們簡(jiǎn)化了電源控制的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)資源可以重新集中到面向用戶的功能和系統(tǒng)差異化功能上。新一代的智能ACS打破了分立器件的障礙，并與電源控制集成在一起，改善了電氣負(fù)載的安全性能，提供了省時(shí)的故障診斷功能。