高效、低成本的空調控制器開(kāi)關(guān)電源方案

引言

通常，家用定頻空調控制器電源有兩組，一組是12伏，電流小于600毫安；另一組是12伏經(jīng)7805穩壓后得到的5伏，電流小于200毫安，控制器電源總的功率一般在10瓦以?xún)取?/P>

目前，家用空調控制器的電源絕大部分仍是使用低頻鐵芯變壓器經(jīng)二極管整流，電容濾波后直接輸出12伏電源。由于12伏電源沒(méi)有穩壓，輸出電壓值會(huì )隨著(zhù)輸入市電電壓的升高或降低而變化。而空調控制器中必不可少的繼電器的線(xiàn)包電壓都是由12伏電源提供的，所以當市電電壓過(guò)低時(shí)，12伏電壓也過(guò)低，這便導致繼電器吸合不可靠，影響了空調的可靠性。當市電電壓過(guò)高時(shí)也會(huì )因12伏電壓過(guò)高，而導致繼電器線(xiàn)包熱損耗大大增加，使得繼電器老化加快，這也是影響空調使用壽命的一個(gè)不容忽視的因素?？照{控制器很多的控制功能都是由繼電器來(lái)完成，要想省去這些繼電器也是不可能的，這就使得空調制造商不得不選用寬工作電壓范圍、價(jià)格高的繼電器。

另外一個(gè)值得注意的問(wèn)題是這種低頻線(xiàn)性電源的轉換效率低，靜態(tài)損耗電流大，沒(méi)有可恢復的過(guò)載、過(guò)溫、短路等保護作用，安全隱患多。

由于空調控制器使用這種低頻變壓器線(xiàn)性電源存在著(zhù)上述諸多安全隱患和缺點(diǎn)，因此，低頻線(xiàn)性電源方案表面上看是一個(gè)低成本的方案，但從空調整機成本和維護成本來(lái)看，使用這種線(xiàn)性電源成本并不一定低，這樣，也就不能提高空調制造商的利潤。正因為如此，國外的空調控制器中都已不再使用這種低頻變壓器線(xiàn)性電源，取而代之的是克服了這種低頻線(xiàn)性電源缺點(diǎn)的高效、節能、穩定可靠的開(kāi)關(guān)電源。其原理框圖見(jiàn)圖1。

圖1：開(kāi)關(guān)電源原理框圖

安森美公司根據市場(chǎng)要求推出了電路簡(jiǎn)單、隔離式、效率高、節能型單片開(kāi)關(guān)電源專(zhuān)用集成電路NCP101X系列，它是專(zhuān)門(mén)為取代家用電器及工業(yè)領(lǐng)域所用的小功率線(xiàn)性電源而設計的，其中的NCP1014尤其適用于設計家用空調控制器的開(kāi)關(guān)電源。

NCP1014單片開(kāi)關(guān)電源的性能特點(diǎn)

NCP1014單片開(kāi)關(guān)電源IC能滿(mǎn)足交流85－265伏寬電壓輸入范圍和輸出功率在10W以?xún)鹊募矣每照{控制器 開(kāi)關(guān)電源的設計，這種開(kāi)關(guān)電源不僅能取代現有的笨重的線(xiàn)性電源變壓器，而且還可增加控制器電源多種保護功能，提高空調的可靠性。NCP1014主要還有以下性能特點(diǎn)：

1）能以最少數量的外圍元器件，構成隔離式、節能型開(kāi)關(guān)電源。與傳統的低頻線(xiàn)性電源解決方案相比，不僅能達到比低頻線(xiàn)性電源更好的電壓調整率和負載調整率，而且還可提高整個(gè)電源的轉換效率。

2）采用了動(dòng)態(tài)自供電技術(shù)，電源功率小于5W時(shí)，可省去輔助電源繞組，簡(jiǎn)化了電源高頻開(kāi)關(guān)變壓器的設計。利用頻率抖動(dòng)技術(shù)能將電磁干擾降低至最少，還能減小EMI濾波器的器件和功耗。

3）內置700伏高壓MOS功率開(kāi)關(guān)管，能適用在交流85～265伏寬電壓輸入范圍工作的開(kāi)關(guān)電源，根據需要，電源可設計在連續（CCM）和不連續（DCM）兩種模式下工作。

4）超低功耗。IC如果采用外部偏置電路供電時(shí)，開(kāi)關(guān)電源空載時(shí)能在低峰值電流的頻率跳變模式下無(wú)噪聲工作，整機的功耗小于100毫瓦。

5）電流模式控制每個(gè)開(kāi)關(guān)周期功率開(kāi)關(guān)管的峰值電流，使開(kāi)關(guān)電源具有良好的動(dòng)態(tài)負載響應速度，IC內部同時(shí)自帶有1毫秒的軟啟動(dòng)電路，可保證開(kāi)關(guān)電源在開(kāi)機時(shí)內部無(wú)電流、電壓過(guò)沖現象。固定的工作頻率有65kHz、100kHz、130kHz三種可供選擇，可根據電源體積大小靈活選擇不同的開(kāi)關(guān)變壓器體積。

6）保護功能完善。反饋光耦可直接與IC反饋腳連接，無(wú)需復雜的外圍電路。芯片內部有短路后自動(dòng)重啟動(dòng)的保護電路、開(kāi)環(huán)故障檢測及過(guò)壓鎖定保護電路、限流保護電路和具有滯后特性的過(guò)熱保護電路。

NCP1014空調控制器開(kāi)關(guān)電源的典型應用方案

■ 電路的基本結構

由NCP1014構成的10瓦隔離式空調控制器開(kāi)關(guān)電源，其電路采用常見(jiàn)的反激式拓撲結構，如圖2所示。FR1為熔斷電阻器，D1－4為輸入級整流管，C1及C2為輸入級濾波電容，L1為輸入級EMI差模抑制電感。D5、C3和R1分別為吸收電路超快恢復二極管、高壓陶瓷電容和功率電阻。T1為EE22鐵氧體磁芯高頻功率開(kāi)關(guān)變壓器。U1為NCP1014單片開(kāi)關(guān)電源IC，D6、R2和C4分別為輔助電源整流二極管、限流電阻和電解濾波電容。U2、R3和ZD1分別為次級電壓反饋高壓隔離光耦、限流電阻和電壓參考穩壓二極管。D7和C6分別為12伏輸出電源超快恢復整流二極管和電解濾波電容。U3和C7分別為5伏輸出電源穩壓IC和電解濾波電容。C5為安規Y2電容。

圖2：常見(jiàn)的反激式拓撲電路結構

■ 電路設計要點(diǎn)

以圖2為例，介紹用NCP1014設計空調控制器開(kāi)關(guān)電源電路的基本要點(diǎn)。

● 高頻功率開(kāi)關(guān)變壓器T1

高頻開(kāi)關(guān)變壓器是開(kāi)關(guān)電源核心器件之一，其參數的設計直接影響到開(kāi)關(guān)電源的許多性能。設計時(shí)須全面綜合考慮開(kāi)關(guān)電源各個(gè)方面因素。采用不連續模式時(shí)，開(kāi)關(guān)變壓器的電感量應選擇少一些，反之，采用連續模式時(shí)，變壓器電感量應選擇大一些。變壓器匝比的選擇應結合需要的最大占空比、功率開(kāi)關(guān)管和次級整流二極管的反向耐壓值來(lái)考慮。一般來(lái)講，功率小的開(kāi)關(guān)電源采用不連續的工作模式。

● 初級輸入濾波電容C1和C2

C1和C2可選用普通的電解電容，主要作用是對輸入電壓平滑濾波，濾除100赫茲紋波電壓，為開(kāi)關(guān)電源提供相對穩定的直流電壓。寬電壓輸入范圍時(shí)，C1和C2至少要保證開(kāi)關(guān)電源每瓦有2微法以上的電容量。

● 差模抑制電感L1

L1與輸入電容C1和C2一起構成Л型濾波電路，起到抑制開(kāi)關(guān)電源EMI的作用。推薦L1采用帶鐵氧體磁芯的電感，L1的電感量應大于或等于設計值，所能承受的有效值電流也要留出一定余量。

● 初級RCD吸收電路R1、C3和D5

其主要作用是用來(lái)吸收功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的上升沿尖峰電壓能量，減少尖峰電壓幅值，防止功率開(kāi)關(guān)管過(guò)電壓擊穿。R1要求采用1W以上的功率電阻，阻值在68千歐左右。C3要求用低等效串聯(lián)電阻的陶瓷電容，容量在1000皮法左右，耐壓值在400伏以上。D5則要求選用超快恢復二極管，反向耐壓值在600伏以上。

● 輔助電源電路R2、C4和D6

C4選用22微法普通的電解電容。D6要求用有足夠高反向耐壓的開(kāi)關(guān)二極管。由于NCP1014的過(guò)載、過(guò)壓和過(guò)流等保護功能是通過(guò)檢測輔助電源的電壓幅值來(lái)實(shí)現的，R2阻值調整要特別注意，阻值過(guò)大，IC容易欠壓保護，反之，又可能過(guò)壓保護。

● 次級輸出濾波電容C6

C6的主要作用是平滑濾波。鑒于C6的等效串聯(lián)電阻（ESR）和容量直接決定了輸出電壓的紋波電壓大小，因此，要盡量選擇低ESR值和容量大的電解電容。

● 反饋取樣電路U2、R3和ZD1

U2選用普通隔離光耦，如PC817。穩壓管ZD1提供12伏輸出電壓的參考電壓，R3是穩壓管ZD1的限流電阻，將穩壓管的工作電流限制在5～10mA。也可通過(guò)調整R3阻值微調12伏的電壓值。

● 次級整流二極管D7

D7應選用具有足夠高反向耐壓的超快恢復二極管。為減少正向導通損耗，也可選用有足夠高反向耐壓的肖特基二極管。不連續模式時(shí)，D7的反向恢復時(shí)間應小于75ns，采用連續模式時(shí)，要求D7的反向恢復時(shí)間小于35ns。MUR220屬于這類(lèi)超快恢復二極管。不要使用普通的快恢復二極管，因為，這種管子的反向恢復時(shí)間有幾百ns。

● 二次5伏線(xiàn)性穩壓電路U3和C7

U3選用價(jià)格低廉TO220封裝的7805穩壓IC，由于5伏電源電流較少，U3輸入端可直接連至12伏電源。C7選用47微法普通的電解電容就能滿(mǎn)足要求。

結束語(yǔ)：

家用空調控制器電源采用開(kāi)關(guān)電源方案是空調產(chǎn)品發(fā)展的最終趨勢。NCP1014單片開(kāi)關(guān)電源方案具有性能穩定可靠、使用靈活、電路簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，在家用空調控制電源中具有相當大的應用市場(chǎng)。如有需要，利用NCP1014也可設計多路輸出式開(kāi)關(guān)電源，其要點(diǎn)是電源總的輸出功率等于各路輸出功率之和。