基于柵極驅(qū)動(dòng)、運(yùn)放的家用空調(diào)電源解決方案

必易微作為高性能模擬及數(shù)模混合芯片供應(yīng)商，提供一站式整體解決方案。本次帶來(lái)家用空調(diào)電源解決方案，炎夏將至，提醒大家降溫防暑。

空調(diào)也叫“熱泵”，顧名思義就是泵送熱量，空調(diào)制冷制熱的工作原理就是以制冷劑為載體將熱量來(lái)回搬運(yùn)。制冷時(shí)，制冷劑從室內(nèi)吸收熱量搬運(yùn)到室外，使室內(nèi)溫度降低；制熱時(shí)，制冷劑從室外吸收熱量搬運(yùn)到室內(nèi)，使室內(nèi)溫度升高。通俗一點(diǎn)來(lái)講，空調(diào)只是熱量的搬運(yùn)工。壓縮機(jī)、膨脹閥、冷凝器、蒸發(fā)器、風(fēng)機(jī)等是空調(diào)搬運(yùn)熱量的核心組件，需要復(fù)雜、可靠的電源系統(tǒng)做支撐。

圖 1. 家用空調(diào)內(nèi)機(jī)應(yīng)用框圖

圖 2. 家用空調(diào)外機(jī)應(yīng)用框圖

以上兩張圖展示了家用空調(diào)內(nèi)機(jī)和外機(jī)的系統(tǒng)框圖。其中，必易微提供的 AC-DC 轉(zhuǎn)換、DC-DC 轉(zhuǎn)換、柵極驅(qū)動(dòng)、運(yùn)放解決方案，可以幫助打造強(qiáng)健的空調(diào)電源系統(tǒng)。

AC-DC 方案?

方案 1

反激方案

KP3667X 是集成 700V 高壓 MOS 的 SSR 功率開(kāi)關(guān)管系列產(chǎn)品，包含 KP36673、KP36674 和 KP36675。它內(nèi)置 700V 高壓?jiǎn)?dòng) JFET，可以省去啟動(dòng)電阻，降低啟機(jī)延遲和待機(jī)功耗；內(nèi)部具有高精度 132kHz 開(kāi)關(guān)頻率振蕩器，且?guī)в卸额l功能以?xún)?yōu)化 EMI；集成完備的保護(hù)功能。

KP3637X 是集成 700V 高壓 MOS、帶 Line OVP/BOP 功能的 SSR 功率開(kāi)關(guān)管系列產(chǎn)品，包含 KP36373 和 KP36374。Line OVP/BOP 功能使電源在輸入電壓異常時(shí)停機(jī)保護(hù)，從而增加了電源的可靠性；KP3637X 的 Line OVP/BOP 功能可以滿(mǎn)足 DC 輸入和 AC 輸入兩種配置方式。

方案 2

非隔離方案

KP32652 是一款固定 15V 輸出的非隔離功率開(kāi)關(guān)管，支持 Buck 和 Buck-Boost 拓?fù)?。KP32652 將反饋電阻集成，可以解決傳統(tǒng)反饋電阻外置方案容易受干擾導(dǎo)致輸出不穩(wěn)定的問(wèn)題。

表 1. AC-DC 方案選型表

DC-DC 方案?

空調(diào)電路板空間非常緊湊，強(qiáng)電和弱電交叉布局，從而對(duì) DC-DC 的功能有著特殊的需求，KP522302E? 是專(zhuān)門(mén)為白電應(yīng)用打造的第三代解決方案：

優(yōu)勢(shì) 1

優(yōu)秀的 EMC 表現(xiàn)

固定 500kHz 工作頻率，兼顧效率，EMC 和 Bom 成本。

特別調(diào)制的 MOS 開(kāi)啟壓擺率和關(guān)閉壓擺率，極大降低 DC-DC 的輻射能量。

增加抖頻功能，工作頻率從 94%Fsw 到 106%Fsw 之間來(lái)回平滑變化，從而降低倍數(shù)工作頻率點(diǎn)的電場(chǎng)和漏磁峰值輻射能量。白電應(yīng)用對(duì)成本比較敏感，所以客戶(hù)一般會(huì)選擇性?xún)r(jià)比高的工字型非屏蔽電感或者普通的片式非屏蔽電感，由于空調(diào)內(nèi)部空間的限制，從而導(dǎo)致 DC-DC 的電感距離 220VAC 強(qiáng)電的線(xiàn)束較近，這樣導(dǎo)致 DC-DC 的電場(chǎng)輻射和電感的漏磁輻射會(huì)直接耦合到 220VAC 電源線(xiàn)上，從而在 DC-DC 倍數(shù)工作頻率點(diǎn)傳導(dǎo)不能滿(mǎn)足測(cè)試要求。抖頻功能可以有效解決這個(gè)問(wèn)題，通過(guò)示波器 FFT 分析可以明顯看到效果，如一倍頻點(diǎn)峰值能量降低了 52%，三倍頻點(diǎn)降低了 55%。

圖?3.?FFT 測(cè)試對(duì)比

優(yōu)勢(shì) 2

超強(qiáng)抗干擾能力

峰值電流模式控制方式，抗干擾能力強(qiáng)，超快的輸入電壓調(diào)整率，非常容易通過(guò)浪涌及脈沖群測(cè)試。

由于空調(diào)壓縮機(jī)功率很大，壓縮機(jī)的啟停都很容易導(dǎo)致 DC-DC 的輸入有高頻浪涌或者過(guò)沖電壓信號(hào)，KP522302E 良好電壓調(diào)整率保證了精準(zhǔn)的輸出電壓控制，同時(shí)也提高了系統(tǒng)可靠性。

圖 4. 2A load，12VIN——>15VIN，SR = 50V/ms

圖 5.?2A load，15VIN——>12VIN，SR = 50V/ms

優(yōu)勢(shì) 3

VIN UVLO 功能

空調(diào)里面 DC-DC 一般都是用作 12V 轉(zhuǎn) 5V 的應(yīng)用，而 DC-DC 的最低工作電壓一般都能支持到 4.5V 左右，KP522302E 的 EN 管腿內(nèi)置帶遲滯功能 500mV 的基準(zhǔn)，可以通過(guò)外置分壓電阻實(shí)現(xiàn) VIN 上升閾值和下降閾值的設(shè)定，避免緩慢上電或掉電導(dǎo)致的系統(tǒng)鎖死、復(fù)位或者屏閃等問(wèn)題。

圖 6.?VIN UVLO 閾值設(shè)置

優(yōu)勢(shì) 4

全套兼容方案

SOT23-6 封裝，非常友好支持單面 PCB，提供 17V 中壓，30V 和 36V 高壓全套兼容解決方案。

優(yōu)勢(shì) 5

高轉(zhuǎn)換效率

內(nèi)置 72mΩ?的上 MOS 和 35mΩ?的下 MOS，12V 轉(zhuǎn) 5V 峰值效率可達(dá) 94%。另外提供 PFM 和 FPWM 兩種模式芯片，PFM 版本在 10mA 時(shí)效率可達(dá) 90%，可以進(jìn)一步助力空調(diào)提高能效。

圖 7.?KP522302E 效率曲線(xiàn)

(VOUT = 5V, L1 = 8.2μH, DCR = 60mΩ)

表 2. DC-DC 方案選型表

柵極驅(qū)動(dòng)方案?

方案 1

柵極驅(qū)動(dòng)器

KP8563X 是一款 650V 耐壓，拉電流/灌電流分別為 200mA/350mA 的三相半橋柵極驅(qū)動(dòng)器，專(zhuān)用于驅(qū)動(dòng) MOSFET 和 IGBT 而設(shè)計(jì)。開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)壓可達(dá) -7V 以上和至少 50V/ns 電壓變化率，系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)。芯片同時(shí)集成了欠壓閉鎖、具有自動(dòng)故障清除功能的過(guò)流保護(hù)、故障指示以及使能功能。欠壓閉鎖保護(hù)功能，防止功率管在過(guò)低的電壓下工作。過(guò)流保護(hù)閾值可通過(guò)外部電阻調(diào)節(jié)，系統(tǒng)外圍電路簡(jiǎn)單。漏極開(kāi)路的故障輸出信號(hào)可在發(fā)生過(guò)流或欠壓關(guān)斷時(shí)提供指示信號(hào)。集成使能功能，可控制芯片工作與否。

KP8530X 是一款 650V 耐壓，集成自舉二極管的半橋柵極驅(qū)動(dòng)器，具有 0.3A 拉電流和 0.6A 灌電流能力，專(zhuān)用于驅(qū)動(dòng)功率 MOSFETs 或 IGBTs。KP8530X 具有良好的電流輸出及出色的抗瞬態(tài)干擾能力，在輸入邏輯引腳 -5V，開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn) VS -7V 情況下可保證系統(tǒng)正常工作?？芍С种辽?50V/ns 的 dv/dt 變化。同時(shí)具有完善保護(hù)功能，包括：輸入浮空或輸入脈沖寬度不足時(shí)，輸出保持低電平。內(nèi)置互鎖和死區(qū)保護(hù)功能，可防止高低側(cè)驅(qū)動(dòng)同時(shí)打開(kāi)，同時(shí)芯片具有高側(cè)和低側(cè) UVLO 保護(hù)。

表 3. 柵極驅(qū)動(dòng)器選型表

方案 2

低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器

KP85751 是一款 25V 耐壓, 2 通道，5A 電流驅(qū)動(dòng)能力的低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)芯片，高達(dá) 5A 的灌和吸電流能力可加快功率器件開(kāi)關(guān)速度，降低開(kāi)關(guān)損耗，提高系統(tǒng)效率。同時(shí)該芯片支持 25V 電源電壓，提高了系統(tǒng)的魯棒性，良好的通道傳播延遲和匹配為嚴(yán)格的工業(yè)和大家電應(yīng)用提供了高可靠性設(shè)計(jì)。

表 4. 低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器選型表

電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案?

方案 1

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

KP83130 是一款具有 1.5A 峰值驅(qū)動(dòng)電流和 0.8A 持續(xù)電流能力的雙 H 橋馬達(dá)驅(qū)動(dòng)芯片，可以控制馬達(dá)進(jìn)入正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、剎車(chē)、滑行和低功耗睡眠模式。該芯片集成了欠壓保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)、輸出短路保護(hù)等功能。