空调用开关电源的供电保护方法浅析

空调用开关电源的供电保护方法浅析

何有新

（家用空调事业部改成美的制冷研究院广东佛山528300）

摘要：电源在一个典型的系统中担当着非常重要的角色,从某种程度上可以看成系统的心脏。电源在给系统电路提供持续、稳定能量的同时,还要能使系统免受外部及内部的侵扰和损害,如浪涌电流、雷击电流以及系统故障引起的电源损坏等,这就需要各种保护电路。开关电源设计中,对负载的保护以及因负载失效而对电源的保护是设计中需要考虑的很重要的方面,选择合适的保护电路,将它们结合在一起,会使产品性能得到提高。

关键词：多联机；开关电源；供电保护；损坏；可靠性；

1恒功率控制过载保护电路

UC3842控制的电流型反激式开关电源原理,它采用双环控制模式,一个是检测输出电压的电压外环,一个是检测开关电流的电流内环,而与电流内环并行的是逐周期限流的功率限制模块。其中Uin为全电压范围全桥整流后的直流电压,Uth对应PWM芯片的限制功率点,由于齐纳二极管Z1的作用,Uth的电压值钳位在1V,使电感峰值电流受到限制,进而实现功率限制。当输出负载达到功率限制点后,随着负载电流的继续增大,输出电压将降低,进入恒功率控制阶段;由于提供给控制芯片供电的辅助电源电压反映输出电压,当输出电压降低到一定程度,辅助电源将不能维持IC正常供电,电源将做重复的关断重启动作,进入打嗝模式(Hiccup-mode)保护阶段;负载恢复正常后,电源恢复正常工作。根据上述原理可知恒功率控制过载保护电路输出电压与输出电流关系。值得注意的是,从开关电流取样至开关管Q1关断存在传输延迟,包括控制芯片从电流取样输入至输出的传输延迟(UC3842的典型值是150ns)、开关管Q1的关断延迟以及用于消除开关电流前沿尖峰的滤波电路造成的延迟。这段延迟时间会使在全电压范围工作(90～264Vac)的开关电源低压工作与高压工作的最大功率点不一致,实际应用中需要加入输入电压补偿电路进行补偿,以减小高输入电压与低输入电压时最大功率点的差异。即该电路通过补偿电阻RP、RS2对侦测的开关电流信号叠加一个随输入电压变化的直流分量来实现补偿作用。实际应用中,RS2取值为1kΨ左右,以保证RP的取值足够大以及对控制IC进行保护。下面将分别介绍不连续导电模式(DCM)、连续导电模式(CCM)两种情况下RP与RS1的求法。

2恒电流控制过载保护电路

与恒功率控制过载保护电路不同的是此类型的保护电路是通过检测取样电阻上的电压,并与参考电压比较来实现。恒电流控制型保护电路原理。当输出电流达到电流保护值之前,电源工作在恒压控制阶段;当输出电流达到电流保护值时,进入恒电流控制阶段,负载再增大,输出电流将被限制住,输出电压降低;随着负载继续增大,输出电压继续降低,提供给IC供电的辅助电源电压将不能维持IC正常供电,电源会进入打嗝模式。故障消失后,电源恢复正常工作。输出电流限制值：

实际应用中,电流取样电阻RS2采用阻值较低的锰铜线电阻,以保证不在取样电阻上产生太大损耗。Op2用来产生误差信号调节PWM信号的脉宽用来实现恒压控制,Op1用来实现恒流控制。有专用的芯片如TSM103可实现Op1,Op2的功能。恒电流控制过载保护电路广泛应用于给电池充电的场合,输出电压与电流的关系。由于此种类型的保护电路也会进入打嗝保护模式,此时的开关应力较大。

3延时锁定关断过载保护电路

一般来说保护后电源的状态可分为锁定状态和可恢复状态,其中打嗝保护模式就是一种可恢复的保护方式。在某些高峰值负载应用场合,如打印机电源等,在平均负载电流不超过额定电流以及元件能承受的电流与电压应力允许的前提下,电源在短时间内可以允许过载工作,但过载工作时间过长电源系统则认为负载设备发生严重故障,此时需要电源关断并锁定,以实现对负载设备的保护以及对电源本身的保护。基于此,提出一种延时锁定保护电路。UC3842以输出补偿引脚作为反馈信号输入时,此脚的电压会随负载的增加而不断上升,当达到最大功率点时,此时输出补偿引脚的电压约为5V。所以可以在原边用COMP脚的电压来控制过功率点,当COMP脚电压达到功率设置点电压时Op1输出高电平,通过R11给C4充电,当充到R10上的分压值时Op2输出高电平,使Q2导通,由于Q1、Q2强烈的正反馈作用使等效SCR电路持续导通,通过Q2把COMP脚电压拉低同时锁定电源,只有当AC重新再接入时才能恢复。延时时间Tdelay可由下式来确定:

式中,UOPmax为运放输出的最大电压。在不同的应用场合,可对延迟时间进行调整,也适用于不延迟保护的场合。由于此种保护方式保护后输出电压与电流近似为零,开关元件不工作,不承受开关应力,因此锁定关断的保护方式是一种相对安全的保护方式。

4技术原理分析及方案

根据产品的供电方式，通信芯片的电源直接来自机组的电源接线座，主芯片的供电由变频模块提供。目前产品存在的问题是，主板带有三相检测电路，但是主板对强电负载端的电源没有有效控制，也就是说虽然主板可以检测到相序错误，但强电负载已经由于电源接通而烧毁。若机组上电时N-L之间相序错误，而产品无相关保护，变频模块会被直接烧毁。因此机组必须判断N-L之间相序是否接错，即必须判断出N线上是否接的为N相电源。也就是说，可以通过控制给强电负载的核心元件如风机模块和变频模块的开关电源供电的N线来实现保护器件的目的。由于在开关电源N线接通前，强电负载包含变频模块无电源输出，主芯片也就无电源供给，无法给出相应的保护措施。因此，想要控制开关电源供电N线通断，只能通过一上电既可以正常工作的通信芯片的通讯程序判断逻辑来实现。由于主板上通讯部分不论在L-N间加380V或者220V时，三端稳压器输出都能稳定工作（主板测试L-N间加380V时，5V和12V电压稳定同样稳定），也就是说即使机组接错线通信部分的电路不受影响。这就存在用通信芯片端口检测电源电压，从而做出逻辑判断的前提。具体方案：主控板的三相检测电源直接从接线座接入，通过检测L-N之间的电压，来确定接线座N相上接的是N线还是L线，当检测的电压为220V（L线对N线为220V）时，说明机组接线正确；开关电源供电N线接通；当检测的电压为380V（L线之间的相电压为380V）时，说明接线错误，开关电源供电N线不接通。即可实现保护器件的目的。原理如下图（图1）。

当机组通电，不论电源线序接线是否正确，通信芯片部分得到稳定的5V、12V电源供给可以正常工作。此时，通信芯片检查L-N之间的电压和相序情况，如果正常，通信芯片控制继电器RY1吸合，N线接通，主芯片上电，当主芯片与通讯芯片通讯上后，通信芯片将相序及电压的检测结果告知主芯片。通信芯片在与主芯片通信2~3S后，控制继电器RY2吸合，给强电负载正常供电；反之，强电负载无电源供给。以上，通过通信芯片控制开关电源的N线通断，可以达到保护强电负载元件的目的。

提出的开关电源供电保护的方法，简单易行、成本低，可以有效解决现有方案无法在三相电源零火线错接的情况下保护强电端负载元件的问题，能够减少损失，提升系统可靠性。

参考文献

[1]周华.现代开关电源控制电路设计及应用.2017.

[2]张修科.空调用开关电源的供电保护方法浅析.2016.