高效、低成本的空調控制器開關電源方案
引言
通常，家用定頻空調控制器電源有兩組，一組是12伏，電流小于600毫安；另一組是12伏經7805穩(wěn)壓后得到的5伏，電流小于200毫安，控制器電源總的功率一般在10瓦以內。
目前，家用空調控制器的電源絕大部分仍是使用低頻鐵芯變壓器經二極管整流，電容濾波后直接輸出12伏電源。由于12伏電源沒有穩(wěn)壓，輸出電壓值會隨著輸入市電電壓的升高或降低而變化。而空調控制器中必不可少的繼電器的線包電壓都是由12伏電源提供的，所以當市電電壓過低時，12伏電壓也過低，這便導致繼電器吸合不可靠，影響了空調的可靠性。當市電電壓過高時也會因12伏電壓過高，而導致繼電器線包熱損耗大大增加，使得繼電器老化加快，這也是影響空調使用壽命的一個不容忽視的因素。空調控制器很多的控制功能都是由繼電器來完成，要想省去這些繼電器也是不可能的，這就使得空調制造商不得不選用寬工作電壓范圍、價格高的繼電器。
另外一個值得注意的問題是這種低頻線性電源的轉換效率低，靜態(tài)損耗電流大，沒有可恢復的過載、過溫、短路等保護作用，安全隱患多。
由于空調控制器使用這種低頻變壓器線性電源存在著上述諸多安全隱患和缺點，因此，低頻線性電源方案表面上看是一個低成本的方案，但從空調整機成本和維護成本來看，使用這種線性電源成本并不一定低，這樣，也就不能提高空調制造商的利潤。正因為如此，國外的空調控制器中都已不再使用這種低頻變壓器線性電源，取而代之的是克服了這種低頻線性電源缺點的高效、節(jié)能、穩(wěn)定可靠的開關電源。其原理框圖見圖1。
圖1：開關電源原理框圖
安森美公司根據市場要求推出了電路簡單、隔離式、效率高、節(jié)能型單片開關電源專用集成電路NCP101X系列，它是專門為取代家用電器及工業(yè)領域所用的小功率線性電源而設計的，其中的NCP1014尤其適用于設計家用空調控制器的開關電源。
NCP1014單片開關電源的性能特點
NCP1014單片開關電源IC能滿足交流85－265伏寬電壓輸入范圍和輸出功率在10W以內的家用空調控制器 開關電源的設計，這種開關電源不僅能取代現有的笨重的線性電源變壓器，而且還可增加控制器電源多種保護功能，提高空調的可靠性。NCP1014主要還有以下性能特點：
1）能以最少數量的外圍元器件，構成隔離式、節(jié)能型開關電源。與傳統的低頻線性電源解決方案相比，不僅能達到比低頻線性電源更好的電壓調整率和負載調整率，而且還可提高整個電源的轉換效率。
2）采用了動態(tài)自供電技術，電源功率小于5W時，可省去輔助電源繞組，簡化了電源高頻開關變壓器的設計。利用頻率抖動技術能將電磁干擾降低至最少，還能減小EMI濾波器的器件和功耗。
3）內置700伏高壓MOS功率開關管，能適用在交流85～265伏寬電壓輸入范圍工作的開關電源，根據需要，電源可設計在連續(xù)（CCM）和不連續(xù)（DCM）兩種模式下工作。
4）超低功耗。IC如果采用外部偏置電路供電時，開關電源空載時能在低峰值電流的頻率跳變模式下無噪聲工作，整機的功耗小于100毫瓦。
5）電流模式控制每個開關周期功率開關管的峰值電流，使開關電源具有良好的動態(tài)負載響應速度，IC內部同時自帶有1毫秒的軟啟動電路，可保證開關電源在開機時內部無電流、電壓過沖現象。固定的工作頻率有65kHz、100kHz、130kHz三種可供選擇，可根據電源體積大小靈活選擇不同的開關變壓器體積。
6）保護功能完善。反饋光耦可直接與IC反饋腳連接，無需復雜的外圍電路。芯片內部有短路后自動重啟動的保護電路、開環(huán)故障檢測及過壓鎖定保護電路、限流保護電路和具有滯后特性的過熱保護電路。
NCP1014空調控制器開關電源的典型應用方案
■ 電路的基本結構
由NCP1014構成的10瓦隔離式空調控制器開關電源，其電路采用常見的反激式拓撲結構，如圖2所示。FR1為熔斷電阻器，D1－4為輸入級整流管，C1及C2為輸入級濾波電容，L1為輸入級EMI差模抑制電感。D5、C3和R1分別為吸收電路超快恢復二極管、高壓陶瓷電容和功率電阻。T1為EE22鐵氧體磁芯高頻功率開關變壓器。U1為NCP1014單片開關電源IC，D6、R2和C4分別為輔助電源整流二極管、限流電阻和電解濾波電容。U2、R3和ZD1分別為次級電壓反饋高壓隔離光耦、限流電阻和電壓參考穩(wěn)壓二極管。D7和C6分別為12伏輸出電源超快恢復整流二極管和電解濾波電容。U3和C7分別為5伏輸出電源穩(wěn)壓IC和電解濾波電容。C5為安規(guī)Y2電容。
圖2：常見的反激式拓撲電路結構
■ 電路設計要點
以圖2為例，介紹用NCP1014設計空調控制器開關電源電路的基本要點。
● 高頻功率開關變壓器T1
高頻開關變壓器是開關電源核心器件之一，其參數的設計直接影響到開關電源的許多性能。設計時須全面綜合考慮開關電源各個方面因素。采用不連續(xù)模式時，開關變壓器的電感量應選擇少一些，反之，采用連續(xù)模式時，變壓器電感量應選擇大一些。變壓器匝比的選擇應結合需要的最大占空比、功率開關管和次級整流二極管的反向耐壓值來考慮。一般來講，功率小的開關電源采用不連續(xù)的工作模式。
● 初級輸入濾波電容C1和C2
C1和C2可選用普通的電解電容，主要作用是對輸入電壓平滑濾波，濾除100赫茲紋波電壓，為開關電源提供相對穩(wěn)定的直流電壓。寬電壓輸入范圍時，C1和C2至少要保證開關電源每瓦有2微法以上的電容量。
● 差模抑制電感L1
L1與輸入電容C1和C2一起構成Л型濾波電路，起到抑制開關電源EMI的作用。推薦L1采用帶鐵氧體磁芯的電感，L1的電感量應大于或等于設計值，所能承受的有效值電流也要留出一定余量。
● 初級RCD吸收電路R1、C3和D5
其主要作用是用來吸收功率開關管關斷時產生的上升沿尖峰電壓能量，減少尖峰電壓幅值，防止功率開關管過電壓擊穿。R1要求采用1W以上的功率電阻，阻值在68千歐左右。C3要求用低等效串聯電阻的陶瓷電容，容量在1000皮法左右，耐壓值在400伏以上。D5則要求選用超快恢復二極管，反向耐壓值在600伏以上。
● 輔助電源電路R2、C4和D6
C4選用22微法普通的電解電容。D6要求用有足夠高反向耐壓的開關二極管。由于NCP1014的過載、過壓和過流等保護功能是通過檢測輔助電源的電壓幅值來實現的，R2阻值調整要特別注意，阻值過大，IC容易欠壓保護，反之，又可能過壓保護。
● 次級輸出濾波電容C6
C6的主要作用是平滑濾波。鑒于C6的等效串聯電阻（ESR）和容量直接決定了輸出電壓的紋波電壓大小，因此，要盡量選擇低ESR值和容量大的電解電容。
● 反饋取樣電路U2、R3和ZD1
U2選用普通隔離光耦，如PC817。穩(wěn)壓管ZD1提供12伏輸出電壓的參考電壓，R3是穩(wěn)壓管ZD1的限流電阻，將穩(wěn)壓管的工作電流限制在5～10mA。也可通過調整R3阻值微調12伏的電壓值。
● 次級整流二極管D7
D7應選用具有足夠高反向耐壓的超快恢復二極管。為減少正向導通損耗，也可選用有足夠高反向耐壓的肖特基二極管。不連續(xù)模式時，D7的反向恢復時間應小于75ns，采用連續(xù)模式時，要求D7的反向恢復時間小于35ns。MUR220屬于這類超快恢復二極管。不要使用普通的快恢復二極管，因為，這種管子的反向恢復時間有幾百ns。
● 二次5伏線性穩(wěn)壓電路U3和C7
U3選用價格低廉TO220封裝的7805穩(wěn)壓IC，由于5伏電源電流較少，U3輸入端可直接連至12伏電源。C7選用47微法普通的電解電容就能滿足要求。
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