利用智能交流控制設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)更好的家電安全

從機(jī)電到數(shù)字控制的轉(zhuǎn)變首先是通過現(xiàn)成的電子設(shè)備完成的——系統(tǒng)架構(gòu)是圍繞 MCU、分立晶體管和高壓雙向可控硅構(gòu)建的。

從機(jī)電到數(shù)字控制的轉(zhuǎn)變首先是通過現(xiàn)成的電子設(shè)備完成的——系統(tǒng)架構(gòu)是圍繞 MCU、分立晶體管和高壓雙向可控硅構(gòu)建的。
家用電器的這場小型革命部分是由于減少能源和水的浪費(fèi)以及提高易用性的需求日益增長而推動(dòng)的。
隨著市場及其標(biāo)準(zhǔn)的化，性能和成本效率一直是家電制造商面臨的挑戰(zhàn)。這改變了交流電源控制的面貌。
在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)人員的目標(biāo)是提高電氣抗擾度和魯棒性。IEC61000-4系列標(biāo)準(zhǔn)涉及與交流線路相關(guān)的EMC要求，例如高壓浪涌、電氣快速瞬變突發(fā)和靜電放電。
該標(biāo)準(zhǔn)定義了電源控制板的抗擾度等級(jí)和標(biāo)準(zhǔn)，并要求逐步提高家電系統(tǒng)的抗擾度和魯棒性。
例如，在制冷設(shè)計(jì)中，通過使用數(shù)字控制可以實(shí)現(xiàn)更好的食品保存和更高的壓縮機(jī)效率；機(jī)柜溫度滯后可達(dá) 3 攝氏度，功耗預(yù)計(jì)可降低 20%。
洗衣機(jī)中的安全任務(wù)可以收集和分析電氣和洗滌參數(shù)，以避免洪水或缺水的風(fēng)險(xiǎn)。借助電源控制電路，可以發(fā)出停止加熱元件、打開水閥或排水泵的命令。

圖 1：使用平面交流開關(guān)消除了所有外部開關(guān)保護(hù)。

新興解決方案
在批電子板中，三端雙向可控硅開關(guān)元件滿足了緊湊性的需求。它比亞安培范圍內(nèi)的繼電器小五倍，提供無EMI開關(guān)操作、快速響應(yīng)時(shí)間、數(shù)百萬開關(guān)周期可靠性和更低的功耗驅(qū)動(dòng)。
為了進(jìn)一步簡化電源設(shè)計(jì)，對雙向可控硅進(jìn)行了改進(jìn)。取消了與標(biāo)準(zhǔn)雙向可控硅并聯(lián)的緩沖電路，設(shè)計(jì)人員只需關(guān)心根據(jù)負(fù)載關(guān)斷電流選擇的換向參數(shù)(dI/dt)c。
然而，雙向可控硅技術(shù)僅在其額定阻斷電壓 (Vdrm / Vrrm) 的范圍內(nèi)才具有魯棒性。超過此限制，過壓可能會(huì)造成開關(guān)不可逆的退化——不受控制的過壓觸發(fā)會(huì)在結(jié)點(diǎn)區(qū)域引起熱點(diǎn)。三端雙向可控硅開關(guān)元件必須使用外部抑制器進(jìn)行保護(hù)。

圖 2：開關(guān)故障檢測器操作（頂部）可防止對設(shè)備造成災(zāi)難性影響。

關(guān)鍵的限制是 IEC61000-4-5 標(biāo)準(zhǔn)中描述的電壓浪涌。通常需要 2kV 1.2/50μs 電壓電平。有兩種主要的保護(hù)方法可以抵抗這種 40 焦耳 (J) 浪涌：
夾緊。壓敏電阻等外部電壓抑制器吸收浪涌能量。
撬棍。三端雙向可控硅開關(guān)元件安全導(dǎo)通，浪涌能量消散到負(fù)載阻抗中。
三端雙向可控硅開關(guān)的救援新型受保護(hù)的三端雙向可控硅 開關(guān)
元件圍繞雙面全平面技術(shù)開發(fā)， 具有出色的內(nèi)置過壓魯棒性，從而提高了系統(tǒng)可靠性。
當(dāng)其端電壓超過雪崩電壓時(shí)，開關(guān)會(huì)在撬棒模式下安全地自觸發(fā)。電壓迅速下降到幾伏，過壓應(yīng)力轉(zhuǎn)化為流過開關(guān)的電流。然后，平面交流開關(guān)在線路周期結(jié)束時(shí)恢復(fù)其阻斷能力。此行為符合 IEC60730 標(biāo)準(zhǔn)。
除了可靠性和設(shè)計(jì)簡便性的集成目標(biāo)之外，ACS 交換機(jī)還實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步的發(fā)展（上圖 1）。這款新型開關(guān)集成了柵極電平轉(zhuǎn)換器，使 MCU 邏輯電平驅(qū)動(dòng)具有更高的電氣瞬態(tài)抗擾度。
例如，0.8A 開關(guān)可保證 500V/μs 的抗擾度，是具有相同柵極靈敏度 (Igt= 10mA) 的等效 1A 三端雙向可控硅開關(guān)元件的 10 倍。
這樣就不需要任何噪聲抑制器，從而簡化了設(shè)計(jì)，并且整個(gè)控制可以滿足 IEC61000-4-4 標(biāo)準(zhǔn)。
在執(zhí)行水閥開/關(guān)控制時(shí)，0.8A交流開關(guān)安全地承受關(guān)斷操作，通過鉗位吸收負(fù)載的感應(yīng)能量。通過設(shè)計(jì)保證，開關(guān)能量能力通過高感性負(fù)載 28H 的嚴(yán)格測試得到證實(shí)。
ACS 開關(guān)的柵極結(jié)構(gòu)在以前的三端雙向可控硅開關(guān)結(jié)構(gòu)中是不可能的，它允許芯片的背面保持電氣穩(wěn)定：可以在單框架封裝中創(chuàng)建交流開關(guān)陣列，專用于洗碗機(jī)等設(shè)備的集中執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)。

圖3：所示為交流開關(guān)過熱保護(hù)示例。

節(jié)能
電子控制通過消除啟動(dòng)器泄漏的原因并提供更好的溫度控制來提高壓縮機(jī)效率。
啟動(dòng)器是一個(gè)正溫度系數(shù) (PTC)電阻器，由于存在漏電流，因此會(huì)持續(xù)吸收 2.5W 的功率。如果固態(tài)交流開關(guān)在啟動(dòng)后關(guān)閉 PTC，則可以消除這些損耗。
更平滑的溫度控制可將輸入平均功率降低20%，并將壓縮機(jī)的開關(guān)重復(fù)率提高50%。壓縮機(jī) 10 年使用壽命相當(dāng)于 270,000 次開/關(guān)循環(huán)，這證明了固態(tài)技術(shù)的使用是合理的。
憑借 2kV 過壓魯棒性和 200V/微秒瞬態(tài)抗擾度，新型平面三端雙向可控硅開關(guān)元件可提供所需的斷態(tài)可靠性（壽命的一半）。
與機(jī)電解決方案的系統(tǒng)成本類似，這使得冰箱或冰柜能夠滿足 A+ 級(jí)消費(fèi)標(biāo)簽，確保更好的食品保存以及無火花和無電磁干擾的運(yùn)行。
更緊密的關(guān)聯(lián)
通過使用系統(tǒng)級(jí)封裝和電源平面技術(shù)，可以設(shè)想交流開關(guān)和電源控制器的微模塊組合。
由于ACS開關(guān)芯片背面具有穩(wěn)定的電壓，因此可以將其放置在電源IC旁邊以實(shí)現(xiàn)故障檢測或過載過熱保護(hù)等新功能。
家用電器的安全性通過 UL 和 IEC 標(biāo)準(zhǔn)得到加強(qiáng)。設(shè)備控制監(jiān)視交流開關(guān)的運(yùn)行狀態(tài)并檢測故障模式?？拷_關(guān)，需要一個(gè)檢測電路來感測交流操作。一些災(zāi)難性負(fù)載和設(shè)備故障可以被消除。
此外，實(shí)現(xiàn)開關(guān)熱保護(hù)的能力開辟了防止過載效應(yīng)的新方法。了解交流開關(guān)的熱狀態(tài)可以設(shè)計(jì)關(guān)斷保護(hù)。
因此，如果電動(dòng)執(zhí)行器在終裝配中誤連接或在特殊應(yīng)力下逐漸損壞，開關(guān)能夠檢測到這種故障。報(bào)警信號(hào)向設(shè)備控制裝置提供信息，從而將維護(hù)操作限制為更換電動(dòng)執(zhí)行器而不是整個(gè)電子板。