利用智能交流電控制增加家電系統的安全性

如今，全世界至少有60%的家庭用品采用了電子器件。對于在售的電器設備來(lái)說(shuō)，已經(jīng)完成從原來(lái)的機電式到數字控制的升級，目前的系統架構都是圍繞著(zhù)微處理器、分立晶體管和高壓可控硅來(lái)實(shí)現的。這一變化某種程度上也是由于節能和節水，以及增加消費者的易用性等方面的需求增長(cháng)所促進(jìn)的結果。

對于家用電器設備制造商來(lái)說(shuō)，性能和成本效益始終是主要的挑戰，而市場(chǎng)的全球化和標準也為應對這些挑戰增加了難度。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烈需求迫使制造商改進(jìn)系統的電器性能，并提供在正常工作或待機模式下節電或節能方面的新功能。

性能和安全方面的改進(jìn)

當設計一個(gè)控制系統時(shí)，設計師的目標是追求高的抗干擾性能并增加魯棒性。IEC61000-4系列標準涉及的是交流電源線(xiàn)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。該標準定義了電源控制板抗干擾的等級和具體標準值，并要求逐步增加家電系統的抗干擾能力和魯棒性。

例如，在冰箱設計中，通過(guò)利用數字控制實(shí)現更好的食品保存性能和更高的壓縮機效率：即可以實(shí)現一個(gè)3℃溫差的箱體降低20%的功耗。在洗衣機中的一個(gè)安全方面的任務(wù)是能夠收集并分析電氣和洗衣參數，避免出現溢水或缺水。能夠在電源控制電路的幫助下，實(shí)現命令停止加熱器件，打開(kāi)水閥或打開(kāi)排水泵。

固態(tài)交流開(kāi)關(guān)方面的連續改進(jìn)

在早期的電路板上，可控硅滿(mǎn)足了緊湊簡(jiǎn)潔的應用?？煽毓璧捏w積比電流小于1安培的繼電器小5倍，但卻提供了無(wú)EMI干擾的開(kāi)關(guān)性能、快速響應時(shí)間和數百萬(wàn)次的開(kāi)關(guān)周期可靠性，還有較低功耗的驅動(dòng)。為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化電源設計，對可控硅進(jìn)行了改進(jìn)，去掉了與標準的可控硅并聯(lián)的緩沖電路，設計師只需考慮根據載荷關(guān)斷電流來(lái)選擇的整流參數(dI/dt)C。

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

最關(guān)鍵的約束是在IEC61000-4-5標準中描述的電壓浪涌。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(lái)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載阻抗中。

新型的受保護的可控硅基于雙面全平面(bi-face full planar)技術(shù)開(kāi)發(fā)，具有優(yōu)異的內置過(guò)壓魯棒性，因此提高了系統的可靠性。當端電壓超過(guò)雪崩電壓時(shí)，開(kāi)關(guān)可靠地觸發(fā)至短路模式。該電壓迅速地降到幾伏，過(guò)壓電壓被轉換成電流流過(guò)開(kāi)關(guān)。平面工藝的交流開(kāi)關(guān)隨后在周期的末尾重新恢復阻斷功能，這與IEC60730標準是一致的。

ACS在實(shí)現可靠性和設計容易性的集成目標同時(shí)，還實(shí)現了進(jìn)一步的改進(jìn)。這種新開(kāi)關(guān)中集成了一個(gè)門(mén)電平變換器(gate level shifter)，使得MCU邏輯電平驅動(dòng)具有更高的抗電氣瞬變干擾的性能。例如，0.8A的開(kāi)關(guān)能保證500V/us的抗浪涌能力，是具有相同門(mén)敏感度(IGT=10mA)對應的可控硅的10倍。

由于不需要任何的噪聲抑制器，從而簡(jiǎn)化了設計，而且整個(gè)控制能夠滿(mǎn)足IEC61000-4-4標準。在執行水閥的開(kāi)關(guān)控制時(shí)，一個(gè)0.8A交流開(kāi)關(guān)能夠安全地承受切斷操作，利用箝位來(lái)吸收負載的感應能量。設計所保證的開(kāi)關(guān)能量的容量必須利用一個(gè)28H的高感性負載來(lái)進(jìn)行苛刻的測試驗證。

目前，ACS開(kāi)關(guān)的獨特門(mén)架構使得芯片的背部電氣性能更加穩定，這在以前的可控硅架構中是不可能的：交流開(kāi)關(guān)陣列可以封裝在單封裝內，專(zhuān)門(mén)用于像洗碗機這類(lèi)應用中的集中式制動(dòng)器驅動(dòng)。

冰箱中的節能

電氣控制通過(guò)消除啟動(dòng)器(starter)漏電并提供更好的溫度控制來(lái)改善壓縮機效率。啟動(dòng)器是一個(gè)正溫度系數電阻(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(kāi)關(guān)關(guān)掉PTC，就可以消除此損耗。平穩的溫度控制可以減少20%的平均輸入功率，并可以將壓縮機的通斷重復率增加50%。

壓縮機10年的壽命相當于27萬(wàn)次的通斷周期，這就能說(shuō)明使用固態(tài)技術(shù)的意義。由于能抗2kV的過(guò)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。以與機電解決方案相近的系統成本，固態(tài)技術(shù)的突破使得電冰箱或其他制冷設備能夠滿(mǎn)足A+的耗能標準，帶來(lái)更好的食品儲藏效果，以及沒(méi)有瞬間放電和EMI干擾。

交流開(kāi)關(guān)及其控制

隨著(zhù)系統級封裝和電源平面技術(shù)的應用，人們已經(jīng)可以設想用微模塊將交流開(kāi)關(guān)和電源控制結合在一起。由于A(yíng)CS芯片背后有一個(gè)穩定的電壓，下一步它可以被替換成一個(gè)電源IC以實(shí)現新的功能，例如故障檢測或過(guò)載過(guò)熱保護。

UL和IEC標準中增強了家電的安全要求。家電控制監測交流開(kāi)關(guān)的工作狀態(tài)并檢測故障模式，在靠近開(kāi)關(guān)處，需要利用一個(gè)檢測電路來(lái)感應AC的工作狀態(tài)。一些嚴重的負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載的DC操作，以及阻性負載的過(guò)熱，或由于開(kāi)關(guān)短路引起的溢水。小型交流開(kāi)關(guān)的創(chuàng )新設計，例如ST公司的NeoS項目，通過(guò)以具有成本效益的方式來(lái)檢測開(kāi)關(guān)失效來(lái)應對這些挑戰。利用一個(gè)AC檢測器可以監控所有的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，并與驅動(dòng)程序進(jìn)行比較，防止家電發(fā)生重大故障。

圖1：受保護的交流開(kāi)關(guān)：NeOS實(shí)例。

此外，開(kāi)關(guān)實(shí)現熱保護的功能開(kāi)辟了一個(gè)防止過(guò)載的一個(gè)新途徑。已知交流開(kāi)關(guān)的熱狀態(tài)可以設計一個(gè)關(guān)斷保護，于是，如果在最后裝配階段電氣制動(dòng)器被錯接，或者在特定應力作用下逐漸損壞，開(kāi)關(guān)就能檢測出故障。預警信號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)設備。

圖2：開(kāi)關(guān)故障檢測器防止家電發(fā)生災難性事件。

通過(guò)在各種惡劣環(huán)境下的嚴苛電氣負載，像冷氣扇、排水泵或加熱器件的測試，已經(jīng)證明這類(lèi)保護是可行的。目前，開(kāi)關(guān)檢測和過(guò)載監控功能已經(jīng)可以以具有成本效益的方式實(shí)現，從而為用于家電的遠程維修設備的研發(fā)鋪平了道路。

本文小結

通過(guò)開(kāi)發(fā)魯棒的和全平面的交流電源開(kāi)關(guān)和交流電源控制電路，使得產(chǎn)品性能、節電和節省資源性能，以及用戶(hù)安全和易用性都得到了改進(jìn)。這些器件增加了電源驅動(dòng)過(guò)程中的電磁兼容性能，其過(guò)壓魯棒性和抗瞬態(tài)干擾的能力，使得設備能夠滿(mǎn)足并超過(guò)國際EMC標準。

在控制材料成本的同時(shí)，它們還提升了可靠性和應用控制的質(zhì)量。由于它們簡(jiǎn)化了電源控制的設計，設計資源可以重新集中到面向用戶(hù)的功能和系統差異化功能上。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，改善了電氣負載的安全性能，提供了省時(shí)的故障診斷功能。