開關(guān)電源在中央空調(diào)上的歸一化設(shè)計(jì)

陶 淦林文濤何成軍柳東營(yíng)

(青島海信日立空調(diào)系統(tǒng)有限公司,山東 青島 266510)

共享貨架(common building block,CBB)是一些可以在不同產(chǎn)品和系統(tǒng)之間共用的零部件、模塊、技術(shù)及其他相關(guān)的設(shè)計(jì)成果。CBB 可以分為技術(shù)貨架(平臺(tái))和產(chǎn)品貨架(平臺(tái))。國(guó)際商用機(jī)器公司(international business machines corporation,IBM)的個(gè)人計(jì)算機(jī)(personal computer,PC)公司通過實(shí)施CBB,在合并關(guān)鍵零部件方面取得較大的成功,機(jī)箱結(jié)構(gòu)種類從14種降為4種,母板種類從15種降為4種。而華為通過大量使用共享平臺(tái),其產(chǎn)品質(zhì)量也有了較大幅度的提高。近年來,企業(yè)界對(duì)CBB 的研究日益成熟和完善[1],研究對(duì)象從電子信息類[2]擴(kuò)展到國(guó)民生產(chǎn)的方方面面,如雷達(dá)[3]和軍工質(zhì)量[4]等。由于日立中央空調(diào)的許多基板來源于日本,且開關(guān)電源方案種類繁多,因一些特殊原因,有些芯片無法正常供貨。為保障生產(chǎn),一種方案是國(guó)產(chǎn)化替代[5],另外一種方案是尋找新的芯片進(jìn)行替代,無論哪種方案替代都會(huì)增加供貨種類,可靠性還需進(jìn)一步驗(yàn)證[6]?；诖?本研究借鑒CBB的設(shè)計(jì)理念,對(duì)開關(guān)電源芯片進(jìn)行歸一化設(shè)計(jì),研究如何用海信成熟的一款芯片,實(shí)現(xiàn)在不同產(chǎn)品和不同電源架構(gòu)的共享應(yīng)用。該設(shè)計(jì)能有效減少中央空調(diào)上開關(guān)電源芯片的數(shù)量,保障日立空調(diào)在市場(chǎng)上的占有率,提升了海信日立空調(diào)在基礎(chǔ)硬件研究領(lǐng)域的地位。

1 開關(guān)電源在中央空調(diào)的應(yīng)用

中央空調(diào)[7]是1個(gè)室外機(jī)拖多個(gè)室內(nèi)機(jī),中央空調(diào)架構(gòu)如圖1所示。圖1中,虛線框以內(nèi)是室外機(jī),虛線框以外是室內(nèi)機(jī)。室外機(jī)架構(gòu)復(fù)雜,包含變頻驅(qū)動(dòng)等關(guān)鍵核心電路。對(duì)變頻驅(qū)動(dòng)供電的開關(guān)電源架構(gòu)主要有2 種,一種是非全隔離Flyback[8](反激)的多路開關(guān)電源;另一種是單路高壓Buck[9](降壓式不隔離)電路。室內(nèi)機(jī)架構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,對(duì)其供電的開關(guān)電源是全隔離Flyback(反激)多路開關(guān)電源。

圖1 中央空調(diào)架構(gòu)

非全隔離定義為:輸出一路繞組和輸入電源有公共的地,另外一個(gè)繞組與其他繞組不共地,室外機(jī)多路非全隔離電源框圖如圖2所示。圖2中,變壓器S1繞組輸出直流15 V,其跟輸入電源共地,參考基準(zhǔn)標(biāo)識(shí)為GND2;另外一個(gè)繞組S2輸出直流也是15 V,但與其他繞組隔離,參考基準(zhǔn)標(biāo)識(shí)為GND1。

圖2 室外機(jī)多路非全隔離電源圖

室外機(jī)高壓不隔離轉(zhuǎn)換電路原理框圖如圖3 所示。輸入高壓,并輸出一個(gè)直流低電壓(一般都為15 V)。芯片開通時(shí),高壓經(jīng)過電感L1降壓;芯片關(guān)斷時(shí),儲(chǔ)存在電感L1的能量通過D1-L1-C3回路,輸出需要的電壓。

圖3 室外機(jī)高壓不隔離轉(zhuǎn)換電路原理框圖

室內(nèi)機(jī)全隔離的開關(guān)電源原理框圖如圖4所示。變壓器提供初次極的隔離,通過控制芯片和光耦反饋,輸出相應(yīng)的電壓值。

圖4 室內(nèi)機(jī)隔離的開關(guān)電源原理框圖

鑒于以上3個(gè)不同的使用場(chǎng)景,大部分公司一般都會(huì)采用3種電源方案,假如在不同年份重新開發(fā)新的基板,并引入不同的電源方案,導(dǎo)致整個(gè)公司將存在多于6種電源方案,這樣會(huì)給供貨保障和電源通用化帶來極大的困難。

2 開關(guān)電源的歸一化分析

歸一化是一種簡(jiǎn)化計(jì)算方式,即將有量綱的表達(dá)式經(jīng)過變換,化為無量綱的表達(dá)式,成為標(biāo)量。本文提出的開關(guān)電源在中央空調(diào)上的歸一化設(shè)計(jì),其的核心理念是把空調(diào)基板上多個(gè)開關(guān)電源的芯片改為1個(gè)芯片來實(shí)現(xiàn)。海信日立空調(diào)3種架構(gòu)的開關(guān)電源比較如表1所示。由表1可以看出,海信日立空調(diào)3種電源架構(gòu)方案的功率相差不大。

表1 海信日立空調(diào)3種架構(gòu)的開關(guān)電源比較

設(shè)計(jì)一款功能簡(jiǎn)單、功率不超過15 W,既能實(shí)現(xiàn)隔離Flyback(反激)功能,又能實(shí)現(xiàn)Buck非隔離功能的芯片,即可實(shí)現(xiàn)電源芯片的歸一化設(shè)計(jì)。因此,本研究從2個(gè)維度進(jìn)行設(shè)計(jì):一是采用隔離的Flyback(反激)架構(gòu),實(shí)現(xiàn)高壓Buck;二是采用高壓Buck架構(gòu),實(shí)現(xiàn)隔離的Flyback。2種實(shí)現(xiàn)方案的優(yōu)缺點(diǎn)如下:

1) 隔離的Flyback架構(gòu)。該芯片最少要4個(gè)管腳,1個(gè)高壓輸入,1個(gè)高壓輸出,1個(gè)地,1個(gè)Vcc(有可能還要1個(gè)反饋),企業(yè)界有類似方案(見文獻(xiàn)[10]),但該芯片工藝復(fù)雜,價(jià)格昂貴。

2) 高壓Buck架構(gòu)。該芯片最少要3個(gè)管腳,1個(gè)高壓輸入,1個(gè)高壓輸出,1個(gè)Vcc,該方案比較難,但該芯片工藝簡(jiǎn)單,價(jià)格便宜10%。

通過對(duì)以上2種架構(gòu)的比較分析,采用Buck實(shí)現(xiàn)Flyback功能難度系數(shù)較大,但是芯片簡(jiǎn)單,可靠性高,為此海信日立決定自研Buck,實(shí)現(xiàn)Flyback功能。

企業(yè)Flyback轉(zhuǎn)Buck的方案比較成熟,且Flyback芯片電流一般都比較小,而采用Flyback實(shí)現(xiàn)Buck架構(gòu),無法實(shí)現(xiàn)大功率的Buck,因此,企業(yè)界出現(xiàn)許多抽頭降壓式方案(tapped-buck power stage,TBPS)的設(shè)計(jì)理論和方法[14-18]。采用Flyback實(shí)現(xiàn)Buck架構(gòu)如圖5所示。

圖5 采用Flyback實(shí)現(xiàn)Buck架構(gòu)

3 設(shè)計(jì)和驗(yàn)證

本設(shè)計(jì)包括原理圖和印制板(printed circuit board,PCB)兩部分,在設(shè)計(jì)原理圖的同時(shí),需要同步設(shè)計(jì)開關(guān)電源的相關(guān)參數(shù)。驗(yàn)證環(huán)節(jié)主要是把設(shè)計(jì)和調(diào)試好的基板進(jìn)行開關(guān)電源白盒測(cè)試和可靠性驗(yàn)證,但該內(nèi)容不在本文重點(diǎn)討論范圍之內(nèi),可以參考文獻(xiàn)[19]～[21]。本文主要研究在架構(gòu)上如何實(shí)現(xiàn)Buck替代Flyback的功能。

3.1 采用Buck實(shí)現(xiàn)Flyback功能的架構(gòu)設(shè)計(jì)

經(jīng)過多輪原理圖和PCB圖設(shè)計(jì),本設(shè)計(jì)采用黃金分割優(yōu)選法進(jìn)行實(shí)驗(yàn),最終設(shè)計(jì)出具有全部自己知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電路架構(gòu),撰寫了開關(guān)電源歸一化的發(fā)明專利[11-12]。Buck實(shí)現(xiàn)Flyback的電路功能框圖如圖6所示。

圖6 Buck實(shí)現(xiàn)Flyback的電路功能框圖

3.2 芯片的選擇過程和方法

1) 芯片選擇。本研究選用海信日立已成熟應(yīng)用的高壓Buck芯片(BM2P104Q-Z),該芯片功能簡(jiǎn)潔,只有3個(gè)有效的管腳,芯片規(guī)格詳見廠家規(guī)格書[10]。

2) 二極管D6。這是本設(shè)計(jì)的核心關(guān)鍵點(diǎn),二極管D6有兩個(gè)作用,一是隔離,二是微調(diào)電壓。假如沒有D6的隔離,電源一上電,會(huì)有2條充電回路,沒有D6隔離的啟動(dòng)回路如圖7所示。圖7中,充電回路①是正常的充電回路,電源經(jīng)過整流橋(位號(hào)DM)-變壓器(位號(hào)L601)芯片(位號(hào)IC601)地(GND2);充電回路②是整流橋(位號(hào)DM)-變壓器(位號(hào)L601)-芯片(位號(hào)IC601)-ZD1-地(GND2)。因?yàn)闆]有二極管隔離,所以不隔離的變壓器輸出一直會(huì)有一個(gè)芯片的Uref電壓,參考芯片規(guī)格書,Uref＝10 V,此時(shí),整個(gè)系統(tǒng)會(huì)一直工作在欠壓狀態(tài),因此系統(tǒng)無法正常工作。

圖7 沒有D6 隔離的啟動(dòng)回路

無法正常工作的波形如圖8所示。圖8中,Vin是整流后的直流電壓波形,芯片C腳是給芯片供電的引腳波形,15V-D 是次級(jí)輸出的直流15 V 電壓波形。當(dāng)沒有D6時(shí),虛線框內(nèi)是無法正常工作的波形,可以看出芯片的C腳一直在振蕩,15V-D 腳的電壓逐漸降低,系統(tǒng)無法正常工作。

圖8 無法正常工作的波形

3)R601和C601。本設(shè)計(jì)的第3個(gè)核心關(guān)鍵點(diǎn)是R601和C601,先計(jì)算C601,芯片啟動(dòng)波形如圖9所示。

圖9 芯片啟動(dòng)波形

圖9中,波形①是對(duì)應(yīng)芯片C腳(供電腳)的啟動(dòng)過程,波形②是15V-D,即輸出15 V 直流對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)過程。橫坐標(biāo)是測(cè)試時(shí)間,每格40 ms;縱坐標(biāo)是測(cè)試電壓,波形①和波形②每格刻度都是5 V,為了清楚的區(qū)分兩者啟動(dòng)過程,波形①和波形②的縱坐標(biāo)零點(diǎn)不在同一位置上。

芯片的啟動(dòng)公式為

式中,I1為芯片工作電流;Δt為芯片正常工作時(shí)間;C為芯片供電的電容值(C對(duì)應(yīng)圖6中的C601);ΔU為工作電壓的上限和下限差值。

查器件規(guī)格書可知,正常工作電流I1＝1.2 m A,Δt＝25 ms,ΔU＝2.9 V(芯片的VCCOVP電壓為11.0 V,VCCStop Voltage電壓為8.1 V,ΔU＝11－8.1＝2.9 V),計(jì)算需要的電容C≈10μF。

R601是使芯片正常工作時(shí),能保持正常增益,但正常工作時(shí),假如供電25 ms,芯片的反饋腳沒有變化,控制就會(huì)紊亂,所以在正常工作時(shí),要時(shí)刻保障反饋腳和VCC腳的電壓能迅速反饋,一般取5個(gè)周期的反饋時(shí)間,芯片的工作頻率為100 K,5個(gè)周期是50μs。芯片的VCCStop Voltage為

式中,Voff是芯片的VCCStop Voltage(規(guī)格書為8.1 V);Von是VCCControl Voltage(規(guī)格書為10 V);C＝10μF。

解析R＝10Ω(理論計(jì)算數(shù)值),實(shí)際測(cè)試不啟動(dòng)波形如圖10所示。圖10中,波形①對(duì)應(yīng)芯片C腳(供電腳),反復(fù)重啟,波形②對(duì)應(yīng)15V-D(輸出直流15 V),電壓達(dá)不到設(shè)定的輸出電壓值,也反復(fù)重啟。橫坐標(biāo)是測(cè)試時(shí)間,每格400 ms;縱坐標(biāo)是測(cè)試電壓,波形①的每格刻度是2 V,波形②對(duì)應(yīng)的每格刻度是5 V。為區(qū)分兩者啟動(dòng)過程,波形①和波形②的縱坐標(biāo)零點(diǎn)不在同一位置上。

圖10 實(shí)際測(cè)試不啟動(dòng)波形

由于使用上述理論計(jì)算數(shù)值R,在電路上并不能穩(wěn)定工作,對(duì)相應(yīng)的數(shù)值需要使用優(yōu)選法[13]進(jìn)行確認(rèn)。R取值范圍在10～1 000Ω 之間,假設(shè)對(duì)此區(qū)間的每個(gè)電阻數(shù)值都用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證,費(fèi)時(shí)費(fèi)力,通過采用黃金分割優(yōu)選法,其基本思想是去壞留好,可以用最少的試驗(yàn)次數(shù)找出最優(yōu)的設(shè)計(jì)參數(shù)。黃金分割優(yōu)選法如圖11所示,圖11 中,a為最小設(shè)計(jì)電阻,a＝10Ω,b為最大設(shè)計(jì)電阻,b＝1 000Ω,f(x)表示設(shè)計(jì)電阻從10～1 000Ω 時(shí)對(duì)應(yīng)的測(cè)試波形(包含正常的和不正常的)。

圖11 黃金分割優(yōu)選法

采用黃金分割優(yōu)選法對(duì)電阻數(shù)值進(jìn)行優(yōu)選,第1次和第2次電阻數(shù)值分別為

式中,X1＝10＋0.618(1 000－10)≈622Ω;X2＝10＋0.382(1 000－10)≈354Ω。

按照此理論,經(jīng)過4輪篩選和計(jì)算,確認(rèn)R的最優(yōu)值為220Ω,設(shè)計(jì)出符合要求的電路參數(shù),解決了Buck跟Flyback芯片相互轉(zhuǎn)化的問題。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要對(duì)開關(guān)電源拓?fù)浼夹g(shù)進(jìn)行研究,實(shí)現(xiàn)了不同產(chǎn)品平臺(tái)和不同電源架構(gòu)的電源芯片共享功能,是芯片“卡脖子”問題的另外一種解決思路,即在充分調(diào)研公司產(chǎn)品原理的基礎(chǔ)上,深入挖掘各個(gè)產(chǎn)品的共性功能,采用能保障公司供貨,且性價(jià)比最優(yōu)的芯片,替代供貨保障困難的芯片。由于本研究中的開關(guān)電源芯片還沒有實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化,后續(xù)會(huì)與目前國(guó)內(nèi)主流的芯片廠家進(jìn)行深度的技術(shù)交流,研究其實(shí)現(xiàn)的可能性。同時(shí),為了實(shí)現(xiàn)供貨保障的雙保險(xiǎn),后續(xù)也會(huì)對(duì)本文研究的對(duì)象進(jìn)行逆向研究,即如何用簡(jiǎn)潔方式實(shí)現(xiàn)Flyback芯片與高壓Buck芯片轉(zhuǎn)化功能。該研究對(duì)消費(fèi)電子類企業(yè)實(shí)現(xiàn)CBB平臺(tái)的架構(gòu)優(yōu)化具有一定的參考意義。