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。對于在售的電器設備來說，已經(jīng)完成從原來的機電式到數(shù)字控制的升級，目前的系統(tǒng)架構都是圍繞著微處理器、分立晶體管和高壓可控硅來實現(xiàn)的。這一變化某種程度上也是由于節(jié)能和節(jié)水，以及增加消費者的易用性等方面的需求增長所促進的結果。

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

性能和安全方面的改進

當設計一個控制系統(tǒng)時，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(tǒng)的抗干擾能力和魯棒性。

例如，在冰箱設計中，通過利用數(shù)字控制實現(xiàn)更好的食品保存性能和更高的壓縮機效率：即可以實現(xiàn)一個3℃溫差的箱體降低20%的功耗。在洗衣機中的一個安全方面的任務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)交流開關方面的連續(xù)改進

在早期的電路板上，可控硅滿足了緊湊簡潔的應用?？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EMI干擾的開關性能、快速響應時間和數(shù)百萬次的開關周期可靠性，還有較低功耗的驅動。為了進一步簡化電源設計，對可控硅進行了改進，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(jù)載荷關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，過壓將會使其開關性能永久變壞：一個不受控的過壓觸發(fā)將會激發(fā)其結區(qū)中的熱點。因此，可控硅必須利用外部的抑制器進行保護。

最關鍵的約束是在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。當端電壓超過雪崩電壓時，開關可靠地觸發(fā)至短路模式。該電壓迅速地降到幾伏，過壓電壓被轉換成電流流過開關。平面工藝的交流開關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在實現(xiàn)可靠性和設計容易性的集成目標同時，還實現(xiàn)了進一步的改進。這種新開關中集成了一個門電平變換器(gate level shifter)，使得MCU邏輯電平驅動具有更高的抗電氣瞬變干擾的性能。例如，0.8A的開關能保證500V/us的抗浪涌能力，是具有相同門敏感度(IGT=10mA)對應的可控硅的10倍。

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

目前，ACS開關的獨特門架構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中是不可能的：交流開關陣列可以封裝在單封裝內(nèi)，專門用于像洗碗機這類應用中的集中式制動器驅動。

冰箱中的節(jié)能

電氣控制通過消除啟動器(starter)漏電并提供更好的溫度控制來改善壓縮機效率。啟動器是一個正溫度系數(shù)電阻(PTC)，它不斷地吸收因其漏電而產(chǎn)生的2.5W能量。如果在啟動后用一個固態(tài)交流開關關掉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，并可以將壓縮機的通斷重復率增加50%。

壓縮機10年的壽命相當于27萬次的通斷周期，這就能說明使用固態(tài)技術的意義。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。以與機電解決方案相近的系統(tǒng)成本，固態(tài)技術的突破使得電冰箱或其他制冷設備能夠滿足A+的耗能標準，帶來更好的食品儲藏效果，以及沒有瞬間放電和EMI干擾。

交流開關及其控制

隨著系統(tǒng)級封裝和電源平面技術的應用，人們已經(jīng)可以設想用微模塊將交流開關和電源控制結合在一起。由于ACS芯片背后有一個穩(wěn)定的電壓，下一步它可以被替換成一個電源IC以實現(xiàn)新的功能，例如故障檢測或過載過熱保護。

UL和IEC標準中增強了家電的安全要求。家電控制監(jiān)測交流開關的工作狀態(tài)并檢測故障模式，在靠近開關處，需要利用一個檢測電路來感應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，以及阻性負載的過熱，或由于開關短路引起的溢水。小型交流開關的創(chuàng)新設計，例如ST公司的NeoS項目，通過以具有成本效益的方式來檢測開關失效來應對這些挑戰(zhàn)。利用一個AC檢測器可以監(jiān)控所有的開關狀態(tài)，并與驅動程序進行比較，防止家電發(fā)生重大故障。

圖1：受保護的交流開關：NeOS實例。

此外，開關實現(xiàn)熱保護的功能開辟了一個防止過載的一個新途徑。已知交流開關的熱狀態(tài)可以設計一個關斷保護，于是，如果在最后裝配階段電氣制動器被錯接，或者在特定應力作用下逐漸損壞，開關就能檢測出故障。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器，而不是整個設備。

圖2：開關故障檢測器防止家電發(fā)生災難性事件。

通過在各種惡劣環(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)證明這類保護是可行的。目前，開關檢測和過載監(jiān)控功能已經(jīng)可以以具有成本效益的方式實現(xiàn)，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

通過開發(fā)魯棒的和全平面的交流電源開關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。這些器件增加了電源驅動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，使得設備能夠滿足并超過國際EMC標準。

在控制材料成本的同時，它們還提升了可靠性和應用控制的質量。由于它們簡化了電源控制的設計，設計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，改善了電氣負載的安全性能，提供了省時的故障診斷功能。