利用智能交流电控制增加家电系统的安全性

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如今，全世界至少有60%的家庭用品采用了电子器件。对于在售的电器设备来说，已经完成从原来的机电式到数字控制的升级，目前的系统架构都是围绕着微处理器、分立晶体管和高压可控硅来实现的。这一变化某种程度上也是由于节能和节水，以及增加消费者的易用性等方面的需求增长所促进的结果。
对于家用电器设备制造商来说，性能和成本效益始终是主要的挑战，而市场的全球化和标准也为应对这些挑战增加了难度。正是由于这一点使得交流电源的控制不断发生改变。家电市场上的差异化方面的强烈需求迫使制造商改进系统的电器性能，并提供在正常工作或待机模式下节电或节能方面的新功能。
性能和安全方面的改进
当设计一个控制系统时，设计师的目标是追求高的抗干扰性能并增加鲁棒性。IEC61000-4系列标准涉及的是交流电源线方面的电磁兼容要求，例如高压浪涌、快速瞬变冲击以及静电放电。该标准定义了电源控制板抗干扰的等级和具体标准值，并要求逐步增加家电系统的抗干扰能力和鲁棒性。
例如，在冰箱设计中，通过利用数字控制实现更好的食品保存性能和更高的压缩机效率：即可以实现一个3℃温差的箱体降低20%的功耗。在洗衣机中的一个安全方面的任务是能够收集并分析电气和洗衣参数，避免出现溢水或缺水。能够在电源控制电路的帮助下，实现命令停止加热器件，打开水阀或打开排水泵。
固态交流开关方面的连续改进
在早期的电路板上，可控硅满足了紧凑简洁的应用。可控硅的体积比电流小于1安培的继电器小5倍，但却提供了无EMI干扰的开关性能、快速响应时间和数百万次的开关周期可靠性，还有较低功耗的驱动。为了进一步简化电源设计，对可控硅进行了改进，去掉了与标准的可控硅并联的缓冲电路，设计师只需考虑根据载荷关断电流来选择的整流参数(dI/dt)C。
不过，可控硅仅在其额定阻断电压(VDRM/VRRM)范围内是可靠的。在此范围以外，过压将会使其开关性能永久变坏：一个不受控的过压触发将会激发其结区中的热点。因此，可控硅必须利用外部的抑制器进行保护。
最关键的约束是在IEC61000-4-5标准中描述的电压浪涌。通常要求能够抗2kV 1.2/50us的浪涌。为了能够抗此40焦耳的浪涌，可以采用以下两种主要方法：钳制—利用像压敏电阻这样的外部电压抑制器来吸收浪涌能量；短路器(Crowbar)—可控硅安全接通，浪涌能量被消耗到负载阻抗中。
新型的受保护的可控硅基于双面全平面(bi-face full planar)技术开发，具有优异的内置过压鲁棒性，因此提高了系统的可靠性。当端电压超过雪崩电压时，开关可靠地触发至短路模式。该电压迅速地降到几伏，过压电压被转换成电流流过开关。平面工艺的交流开关随后在周期的末尾重新恢复阻断功能，这与IEC60730标准是一致的。
ACS在实现可靠性和设计容易性的集成目标同时，还实现了进一步的改进。这种新开关中集成了一个门电平变换器(gate level shifter)，使得MCU逻辑电平驱动具有更高的抗电气瞬变干扰的性能。例如，0.8A的开关能保证500V/us的抗浪涌能力，是具有相同门敏感度(IGT=10mA)对应的可控硅的10倍。
由于不需要任何的噪声抑制器，从而简化了设计，而且整个控制能够满足IEC61000-4-4标准。在执行水阀的开关控制时，一个0.8A交流开关能够安全地承受切断操作，利用箝位来吸收负载的感应能量。设计所保证的开关能量的容量必须利用一个28H的高感性负载来进行苛刻的测试验证。
目前，ACS开关的独特门架构使得芯片的背部电气性能更加稳定，这在以前的可控硅架构中是不可能的：交流开关阵列可以封装在单封装内，专门用于像洗碗机这类应用中的集中式制动器驱动。
冰箱中的节能
电气控制通过消除启动器(starter)漏电并提供更好的温度控制来改善压缩机效率。启动器是一个正温度系数电阻(PTC)，它不断地吸收因其漏电而产生的2.5W能量。如果在启动后用一个固态交流开关关掉PTC，就可以消除此损耗。平稳的温度控制可以减少20%的平均输入功率，并可以将压缩机的通断重复率增加50%。
压缩机10年的寿命相当于27万次的通断周期，这就能说明使用固态技术的意义。由于能抗2kV的过压和200V/us的瞬态冲击，新型的平面可控硅或ACS提供了所需的断态(off-state)可靠性。以与机电解决方案相近的系统成本，固态技术的突破使得电冰箱或其他制冷设备能够满足A+的耗能标准，带来更好的食品储藏效果，以及没有瞬间放电和EMI干扰。
交流开关及其控制
随着系统级封装和电源平面技术的应用，人们已经可以设想用微模块将交流开关和电源控制结合在一起。由于ACS芯片背后有一个稳定的电压，下一步它可以被替换成一个电源IC以实现新的功能，例如故障检测或过载过热保护。
UL和IEC标准中增强了家电的安全要求。家电控制监测交流开关的工作状态并检测故障模式，在靠近开关处，需要利用一个检测电路来感应AC的工作状态。一些严重的负载和家电故障可以避免，比如由于可控硅二极管模式故障所引起的高电感负载的DC操作，以及阻性负载的过热，或由于开关短路引起的溢水。小型交流开关的创新设计，例如ST公司的NeoS项目，通过以具有成本效益的方式来检测开关失效来应对这些挑战。利用一个AC检测器可以监控所有的开关状态，并与驱动程序进行比较，防止家电发生重大故障。



图1：受保护的交流开关：NeOS实例。
此外，开关实现热保护的功能开辟了一个防止过载的一个新途径。已知交流开关的热状态可以设计一个关断保护，于是，如果在最后装配阶段电气制动器被错接，或者在特定应力作用下逐渐损坏，开关就能检测出故障。预警信号将信息提供给控制电路，从而将维修范围限制到制动器，而不是整个设备。




图2：开关故障检测器防止家电发生灾难性事件。
通过在各种恶劣环境下的严苛电气负载，像冷气扇、排水泵或加热器件的测试，已经证明这类保护是可行的。目前，开关检测和过载监控功能已经可以以具有成本效益的方式实现，从而为用于家电的远程维修设备的研发铺平了道路。
本文小结
通过开发鲁棒的和全平面的交流电源开关和交流电源控制电路，使得产品性能、节电和节省资源性能，以及用户安全和易用性都得到了改进。这些器件增加了电源驱动过程中的电磁兼容性能，其过压鲁棒性和抗瞬态干扰的能力，使得设备能够满足并超过国际EMC标准。
在控制材料成本的同时，它们还提升了可靠性和应用控制的质量。由于它们简化了电源控制的设计，设计资源可以重新集中到面向用户的功能和系统差异化功能上。新一代的智能ACS打破了分立器件的障碍，并与电源控制集成在一起，改善了电气负载的安全性能，提供了省时的故障诊断功能。