天井機(jī)空調(diào)接錯線的失效分析與研究

0 引言

天井機(jī)空調(diào)，又稱天花機(jī)或者吸頂式、嵌入式空調(diào)，和柜式的掛機(jī)差不多。但其功率較大，主機(jī)厚度薄，安裝于天花板上，可以節(jié)省出大量空間，且比較美觀。其出風(fēng)模式是垂直下來，可以到達(dá)空間內(nèi)每個角落，人體感覺較舒適。天井機(jī)空調(diào)近幾年在市場需求較廣，由于不占室內(nèi)空間，且制冷量較大，被大量應(yīng)用于客廳、辦公室、商場門店等大型場所。

由于天井機(jī)的適用場合較廣，所以其內(nèi)外機(jī)之間連接距離較遠(yuǎn)，均為售后直接安裝配線，我司空調(diào)在售后安裝接線過程中出現(xiàn)內(nèi)外機(jī)主板通訊電路燒毀故障，燒毀失效后內(nèi)外機(jī)控制器無法有效連接通訊，導(dǎo)致空調(diào)整機(jī)無法工作。經(jīng)綜合分析為通訊線接錯線導(dǎo)致電源交流電直接進(jìn)入通訊端口，瞬間浪涌使通訊電路器件燒壞。因此研究售后安裝接錯線的失效模式、失效機(jī)理非常重要。采取有效的可靠性方案解決售后接線防錯問題，提升售后安裝接線的整體工作的可靠性。

圖1 通訊線接錯線主板燒壞

1   事件背景

天井機(jī)空調(diào)在售后實(shí)際工作故障失效突出，統(tǒng)計(jì)售后使用時間均為裝機(jī)就出現(xiàn)失效。對故障件進(jìn)行復(fù)核分析，均為內(nèi)外機(jī)主板通訊電路器件短路燒毀，經(jīng)過多年的跟蹤空調(diào)實(shí)際應(yīng)用維修數(shù)據(jù)分析，已嚴(yán)重影響空調(diào)售后故障率，且在售后安裝過程中有重大的安全隱患。

圖2  禁止通強(qiáng)電標(biāo)示

2   接錯線燒主板的失效原因

受使用場所影響，內(nèi)外機(jī)之間互聯(lián)通訊線均比較長，我司采用的是串口通訊方式，主要運(yùn)用其信號傳輸距離較長的特點(diǎn)。此天井機(jī)接錯線時有發(fā)生，均為售前機(jī)。此類故障容易判斷，如下圖1所示，故障板通訊電路有P板印制線燒斷，大量器件燒毀，故障較明顯。此內(nèi)外機(jī)通訊電路實(shí)際采用24V直流電進(jìn)行信號傳輸，售后安裝過程中直接導(dǎo)致將電源電壓交流220V，甚至動力電源380V直接接入到內(nèi)機(jī)或外機(jī)主板通訊端口。因通訊端口器件主要為半導(dǎo)體器件，以及貼片電阻、電容等器件，均被使用在低電壓弱電直流電源電路中，耐壓相對均較低，所以瞬間的強(qiáng)脈沖浪涌電壓就直接導(dǎo)致主板通訊口燒壞，甚至電源器件短路、主芯片也被燒壞，空調(diào)不能正常使用。

針對強(qiáng)電接到通訊端口問題已在通訊接口增加警示標(biāo)示“禁止通強(qiáng)電”來提醒售后安裝工，如下圖2所示，實(shí)際售后接線安裝并沒有有效杜絕，作用不大，只能起到提醒作用。由于內(nèi)外機(jī)安裝連接線比較長，存在較多重新加長線情況，所以憑肉眼觀察與經(jīng)驗(yàn)是無法有效完全有效保證不接錯線。

圖3  天井機(jī)主板通訊電路

3   電路設(shè)計(jì)核查分析

電路使用的是串行單路通信方式，電路如下圖3所示，其波形采用方波形式傳輸，采用高低電平0、1對信號進(jìn)行傳輸，傳輸電壓為直流24V，峰值電壓30V。我國市電電壓為交流220V，動力電源為380V，售后在接線時將電源電壓接入內(nèi)外機(jī)通訊端口，瞬間浪涌電壓導(dǎo)致主板燒壞。

通訊電路波形如下圖4所示，采用直流24V電壓，實(shí)際測試峰值電壓不會超過30V，主板電路器件承受耐壓均較低，當(dāng)電源電壓接入到電路中，將會直接導(dǎo)致電路器件擊穿燒壞。

圖4 通訊電路傳輸波形

浪涌試驗(yàn)驗(yàn)證，如下圖5所示100V浪涌電壓對應(yīng)電流測試波形圖，三極管只能承受從通訊線進(jìn)來的1.5/50us浪涌電壓100V，超過100V三極管就會擊穿，售后接錯線電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于此電壓。

圖5 100V浪涌電壓對應(yīng)電流

4   接錯線燒主板失效解決方案

在實(shí)際接線中，為了防止售后接錯線，增加了醒目標(biāo)示，已粘貼了“禁止接入強(qiáng)電”警告標(biāo)示。實(shí)際在售后安裝接線過程中由于接線距離較長，只能起到一定輔助警示作用，并不能完全杜絕售后接錯線的發(fā)生。在電路通訊接線口增加PTC轉(zhuǎn)接板后，完全可杜絕接錯線導(dǎo)致后端電子器件的燒毀。正常情況下，電路器件對電壓信號不起作用，當(dāng)前端接入電壓超過通訊口峰值電壓時，保護(hù)電路就起作用，將電路鉗位在安全電壓范圍以內(nèi)，阻斷強(qiáng)電流或強(qiáng)電壓進(jìn)入后端電路器件。

4.1電路基本元件特性

4.1.1PTC電阻

PTC 熱敏電阻是一種典型具有溫度敏感性的半導(dǎo)體電阻，超過一定的溫度（居里溫度）時，它的電阻值隨著溫度的升高呈階躍性的增高。PTC 電阻的出現(xiàn)，主要解決傳統(tǒng)開關(guān)速度不夠快和容量不夠大這兩方面的問題，具有較好的恢復(fù)性和可重復(fù)使用的特點(diǎn)。

當(dāng)電路處于正常狀態(tài)時，通過過流保護(hù)用PTC熱敏電阻的電流小于額定電流，過流保護(hù)用PTC熱敏電阻處于常態(tài)，阻值很小，不會影響被保護(hù)電路的正常工作。當(dāng)電路出現(xiàn)故障，電流大大超過額定電流時， 過流保護(hù)用PTC熱敏電阻陡然發(fā)熱，呈高阻態(tài)，使電路處于相對"斷開"狀態(tài)，從而保護(hù)電路不受破壞。當(dāng)故障排除后，過流保護(hù)用PTC熱敏電阻亦自動回復(fù)至低阻態(tài)，電路恢復(fù)正常工作。如下圖6所示為電路正常工作時的伏-安特性曲線和負(fù)載曲線示意圖，由A點(diǎn)到B點(diǎn)，施加在PTC熱敏電阻上的電壓逐步升高，流過PTC熱敏電阻的電流也線性增加，表明PTC熱敏電阻的電阻值基本不變， 即保持在低電阻態(tài)；由B點(diǎn)到E點(diǎn)，電壓逐步升高，PTC熱敏電阻由于發(fā)熱而電阻迅速增大，流過PTC熱敏電阻的電流的也迅速降低，表明PTC熱敏電阻進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)。正常的負(fù)載曲線低于B點(diǎn)，PTC熱敏電阻就不會進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)。

圖6  伏-安特性曲線和負(fù)載曲線示意圖

4.1.2 TVS二極管

瞬態(tài)抑制二極管（TransientVoltageSuppressor）簡稱TVS，是一種二極管形式的高效能保護(hù)器件。當(dāng)TVS二極管的兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時，它能以10的負(fù)12次方秒量級的速度，將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩?，吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個預(yù)定值，有效地保護(hù)電子線路中的精密元器件，免受各種浪涌脈沖的損壞。由于它具有響應(yīng)時間快、瞬態(tài)功率大、漏電流低、擊穿電壓偏差、箝位電壓較易控制、無損壞極限、體積小等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于大功率、超大功率機(jī)載電子設(shè)備的瞬態(tài)電壓防護(hù)電路設(shè)計(jì)。

在規(guī)定的反向應(yīng)用條件下，當(dāng)ＴＶＳ二極管兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時，內(nèi)部ＰＮ 結(jié)產(chǎn)生雪崩擊穿，它能以１０－１２ｓ量級的速度，將其工作阻抗由高阻抗變?yōu)榈妥杩梗栽试S大電流通過，并將電壓鉗位在預(yù)定值，從而有效地保護(hù)后級電路的元器件免受損壞［４］。當(dāng)瞬態(tài)高能量沖擊電壓結(jié)束后，ＴＶＳ二極管的雪崩擊穿過程隨之結(jié)束，其工作阻抗回到高阻抗?fàn)顟B(tài)。ＴＶＳ二極管經(jīng)受瞬態(tài)電壓時的鉗位波形如圖7所示。

圖7  ＴＶＳ二極管經(jīng)受瞬態(tài)電壓時的鉗位波形圖

本電路主要為了防止電源交流電壓進(jìn)入，所以采用雙向TVS二極管，如圖8所示，特性相當(dāng)于兩個穩(wěn)壓二極管反向串聯(lián)，可以抑制電路中雙向的沖擊，在電路中連接無極性方向。

圖8  雙向TVS二極管特性曲線圖

4.1.2 壓敏電阻

壓敏電阻簡稱 VDR（Voltage-Dependent Resistor），是一種對電壓敏感的非線性過電壓保護(hù)半導(dǎo)體元件。壓敏電阻器的結(jié)構(gòu)特性壓敏電阻器與普通電阻器不同，它是根據(jù)半導(dǎo)體材料的非線性特性制成的。

普通電阻器遵守歐姆定律，而壓敏電阻器的電壓與電流則呈特殊的非線性關(guān)系。壓敏電阻被廣泛應(yīng)用在電子線路中，來防護(hù)因?yàn)殡娏?yīng)系統(tǒng)的暫態(tài)電壓突波所可能對電路的傷害。當(dāng)高壓來到時，壓敏電阻的電阻降低而將電流予以分流，因而保護(hù)了敏感的電子元件。

當(dāng)壓敏電阻器兩端所加電壓低于標(biāo)稱額定電壓值時，壓敏電阻器的電阻值接近無窮大，內(nèi)部幾乎無電流流過。當(dāng)壓敏電阻器兩端電壓略高于標(biāo)稱額定電壓時，壓敏電阻器將迅速擊穿導(dǎo)通，并由高阻狀態(tài)變?yōu)榈妥锠顟B(tài)，工作電流也急劇增大，把瞬間高電壓嵌位在安全電壓等級。瞬間高電壓的能量被壓敏電阻吸收，并且以熱量的形式在壓敏電阻的內(nèi)部均勻地釋放掉，從而達(dá)到保護(hù)脆弱部件的目的。當(dāng)其兩端電壓低于標(biāo)稱額定電壓時，壓敏電阻器又能恢復(fù)為高阻狀態(tài)。如圖9所示壓敏電阻特性曲線。

圖9  壓敏電阻特性曲線

4.2應(yīng)用電路原理分析

具體PTC轉(zhuǎn)接板電路原理圖如10所示，外線側(cè)第一級保護(hù)采用性能優(yōu)良的PTC 熱敏電阻作為限流電路，第二級采用壓敏電阻( MOV) 作為限壓電路, 泄放大部分的電流，內(nèi)線側(cè)采用雙向TVS二級管作為補(bǔ)充保護(hù), 進(jìn)一步削弱過電壓波幅值，使外線侵入的過流過壓限制在通訊電路所能承受的范圍以內(nèi)。

 電源電壓220V或380V不能確定從A或B端口進(jìn)入，所以在A和B端口均增加PTC電阻，且電路末端采用雙向TVS二極管，可有效阻止強(qiáng)電直接進(jìn)入到后端電路。

具體電路器件選擇要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用電路設(shè)計(jì)，以及器件特性選型。此轉(zhuǎn)接板電路內(nèi)外機(jī)設(shè)計(jì)相同，只是外機(jī)PTC電阻RT1與RT2采用7.5歐，內(nèi)機(jī)采用5歐，主要是天井機(jī)電源是外機(jī)給內(nèi)機(jī)供電，外機(jī)電壓相對較高。壓敏電阻RV1用于防止浪涌，起到保護(hù)電路的作用，本電路采用壓敏電壓為470K壓敏電阻。雙向TVS二極管TVS1采用型號為最大反向峰值電壓30.8V，將電壓鉗制在安全電壓以下。

接入轉(zhuǎn)接板前后對比波形如圖11所示。模擬正常接線測試傳輸波形，由于是正常接線，電壓傳輸波形不會受到鉗制，所以接入轉(zhuǎn)接板電壓波形與未接入兩者傳輸波形均相同，正常接線情況下對信號無阻擋。

4.3應(yīng)用電路實(shí)際接錯線可靠性模擬驗(yàn)證

模擬售后實(shí)際安裝接線，接入市電后PTC轉(zhuǎn)接板工作狀態(tài)。由于零線不帶電，地線不帶電，接錯線將電源電壓接入內(nèi)外機(jī)主板通訊電路，將會直接導(dǎo)致信號不能傳輸，不會對器件造成損傷，所以此兩種情況可排除。根據(jù)實(shí)際電源火線帶電壓情況，實(shí)際模擬多次提醒電路器件均為燒壞，可靠性優(yōu)良。

圖10  PTC轉(zhuǎn)接板電路原理圖

5   失效整改總結(jié)及意義

在不改變原有設(shè)計(jì)的情況下，通過增加轉(zhuǎn)接板來預(yù)防售后接錯線，可有效預(yù)防此故障發(fā)生。轉(zhuǎn)接板開發(fā)周期短，且可大面積推廣到其它同類型機(jī)型。本文從天井機(jī)接錯線的的失效原因，以及失效機(jī)理、應(yīng)用電路等多方面進(jìn)行分析，提出有效的防錯措施，杜絕售后實(shí)際應(yīng)用中的接錯線隱患。

分析研究結(jié)果：通過PTC電阻過流保護(hù)開關(guān)特性，以及TVS二極管，壓敏電阻的對電壓的鉗位效應(yīng)組成PTC轉(zhuǎn)接板，可以有效的保護(hù)通訊電路后端器件燒壞。

圖11  接入轉(zhuǎn)接板前后對比波形圖

參考文獻(xiàn)：

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（注：本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2020年11月期）