家用空调直流变频控制器的抗干扰设计

2013-11-15郑高辉高利辉浙江帅康电气股份有限公司浙江余姚315491

家电科技 2013年12期

郑高辉高利辉（浙江帅康电气股份有限公司浙江余姚 315491）

1 引言

在家用电器产品中，变频空调器应该算是其中工作环境和电磁环境比较恶劣的一类产品了，家用空调的可靠性除了采取好的生产工艺和严格的质量管理来降低产品不良率外，设计可靠性也是不容忽视的一个方面，好的可靠性设计在一定程度上可以降低生产可靠性要求的难度，降低成品不良率，可靠性设计中一个重要的方面体现为产品的抗干扰设计，尤其是在较坏的电磁环境下的抗干扰设计。

2 干扰源分析

直流变频空调因其节能、环保而日益普及，其变频压缩机一般由6个大功率IGBT管子的按特定的时序切换，产生特定频率的正弦电流波使压缩机运转，压缩机输入功率通常在1kW左右（如日立ZS1216D1直流变频压缩机），负载状态下IGBT工作在大电流和高电压的状态。在IGBT 开和关的状态下，根据公式：V=Lm×(di/dt),会产生感生电压和电流，此感生电压和电流具有很大的辐射功率频谱带，通过空间和电气传输线窜入逻辑控制部件，使控制部件产生失效失控风险。除了干扰自身外，它还可以干扰邻近设备，例如可以使其他家用电器的电容感应触摸键反应迟钝或失灵。

除了自身产生高频干扰外，外部设备也可通过电力线传导和空间辐射对其产生效果相同的干扰，降低产品的工作可靠性，所以抗干扰设计除了降低自身的干扰产生水平外，还要提高抗击外界干扰的能力。

3 控制器抗干扰措施

3.1 选择合适的微控制器

设计直流室外控制器的第一步是要选择合适的单片机，在满足控制功能的同时，芯片本身的抗干扰能力也是必须要考虑的重要因素。单片机由于数据、地址、控制全部封闭在片内，因而对外部干扰的敏感度进一步降低，稳定性更好。在变频室外控制板设计中，应优先选用这类单片机。例如MOTOROLA的MC68HC908-MR16，它具有专用的电机驱动，抗干扰能力也强。

3.2 印制板设计、布线及接地原则

印制板走线设计、布线及地线对系统抗干扰性能有不可忽视的影响。有时尽管原理电路正确无误，但仅因为是印制板设计、布线及接地不妥，就可能使整个系统瘫痪，无法正常工作。在PCB板图设计中，要遵循以下几点。

3.2.1 印制板大小要适中

合理分布元件在版图中的热量散发密度；合理分配元件在板上的重量，不要使局部产生大的负重应力。

3.2.2 合理排布元器件

板图排布要以IC为中心，离散器件外围环布，形成区域功能电路；各个区域功能电路要在PCB版图中分开放置：首先强电和弱电要划分区域，数字电路和模拟电路要划分区域，高频信号和易受干扰的电路划分区域，分开排布。

3.2.3 进行可靠地电源完整性和信号完整性设计

地线是信号传输线的返回路径，返回路径最好是一个完整的平面，这样可以提供信号的低阻抗返回路径，如果返回路径被分割，信号会在分割处产生地弹，将产生干扰波，进而产生电磁兼容问题。所以在制造成本允许的条件下尽可能使用双面板或者多面板，建立完整的电源平面和地平面，为逻辑器件提供低阻抗的电源路径和信号路径。

3.2.4 为器件提供退耦通路

为了减小电源分布系统中的的电压轨道塌陷，就要在电源盒地平面之间增加多个去耦电容，在一定时间δt内，电容C可以阻止电源的下降，公式为：

δt=C×0.05×V2/P

δt—电压下降量达到电源电压5%的时间,单位s；

C—退耦电容量，单位F；

P—芯片平均功耗,单位W；

V—电源电压,单位V。

由此公式可以知道在逻辑IC电源引脚、参考电源引脚附近要加入1nF和10nF的退耦电容，越靠近引脚越好。

3.2.5 单独考虑高电压线和大电流线路

高电压线和大电流线路对其他线路容易形成干扰，需要单独考虑。我们在布线时应该尽量使它们远离低压逻辑电路和模拟电路，输入端交流电路和整流后的直流电路分开，电路之间的连线尽量短。

3.2.6 在电源的入线处增加电源滤波器

电源滤波器可以在外部干扰和内部干扰之间建立隔离屏障，可以避免控制器内部产生的干扰辐射出去干扰外部设备，同时如果有外部干扰源，也可以防止干扰直流变频控制器。

3.3 直流变频控制板较为合理的PCB板图排布方式

下面举例阐述直流变频控制板较为合理的PCB板图排布方式，如图1所示。其中大电解C1两端是全桥整流后的直流300V高电压，驱动压缩机（BLDC）的大电流如虚线所示，而室外机控制板全部是低电压小电流，布线的原则是驱动压缩机的动态大电流构成相对独立的回路，不要经过控制板。

控制电路接地点的确定：一般为了提高控制板的抗干扰能力，基本上采用浮地结构，也就是控制板地线完全独立。但是在我们直流变频控制板的设计中，是采用了共地设计，功率地（Power Ground）和信号地（Signal Ground）是互相连接的。采用共地结构主要是为了降低产品硬件成本，控制板要有电压检测、转子位置信号检测（下面详细介绍）功能，我们采用一点接地的方式，有效地避免了大电流对CPU的干扰。

3.4 转子位置检测的硬件和软件抗干扰实施

为使BLDC电机高效、稳定地运行，必须要有精确的电机转子位置检测电路作保证，控制软件根据位置信号进行驱动状态的切换，如果提前、滞后切换都将使驱动效率明显下降，严重时甚至堵转。

室外机控制板转子位置检测电路如图2所示。

BLDC电机端电压经过位置检测电路运算以后，得到A、B、C三路三角波电压信号，D点电压作为LM339的参考比较电压，经过LM339电压比较器比较后得到a、b、c三路方波电压，CPU根据a、b、c三路方波信号的上升、下降沿口，依次在（0、1、2……11……）点改变6个PWM的输出口的状态，驱动BLDC电机运转。正确的电压波形如图3所示，每一步的时间间隔完全一致（占空比50%），这样驱动BLDC电机的瞬时速度也能够一致。

在没有干扰的情况下图2中D点的电压波形是交流三角波（Vpp0.2V以下），A、B、C三点的电压信号也是交流三角波（Vpp0.4V以下）。但在测量A、B、C三点的电压时，发现有时分别叠加了0.05V～0.2V的直流电压，而在LM339比较器的参考的D点没有叠加此直流电压。由于比较器参考电压的漂移，从而使得三路转子位置信号发生偏移。

硬件解决方法：我们分别在LM339的工作电源-5V、+12V加强滤波后，干扰信号就消除了，证明是由于比较器LM339的工作电源的波动引起了输入端的干扰电压。