高效、低成本的空调控制器开关电源方案

      引言

       通常，家用定频空调控制器电源有两组，一组是12伏，电流小于600毫安；另一组是12伏经7805稳压后得到的5伏，电流小于200毫安，控制器电源总的功率一般在10瓦以内。

       目前，家用空调控制器的电源绝大部分仍是使用低频铁芯变压器经二极管整流，电容滤波后直接输出12伏电源。由于12伏电源没有稳压，输出电压值会随着输入市电电压的升高或降低而变化。而空调控制器中必不可少的继电器的线包电压都是由12伏电源提供的，所以当市电电压过低时，12伏电压也过低，这便导致继电器吸合不可靠，影响了空调的可靠性。当市电电压过高时也会因12伏电压过高，而导致继电器线包热损耗大大增加，使得继电器老化加快，这也是影响空调使用寿命的一个不容忽视的因素。空调控制器很多的控制功能都是由继电器来完成，要想省去这些继电器也是不可能的，这就使得空调制造商不得不选用宽工作电压范围、价格高的继电器。

另外一个值得注意的问题是这种低频线性电源的转换效率低，静态损耗电流大，没有可恢复的过载、过温、短路等保护作用，安全隐患多。

       由于空调控制器使用这种低频变压器线性电源存在着上述诸多安全隐患和缺点，因此，低频线性电源方案表面上看是一个低成本的方案，但从空调整机成本和维护成本来看，使用这种线性电源成本并不一定低，这样，也就不能提高空调制造商的利润。正因为如此，国外的空调控制器中都已不再使用这种低频变压器线性电源，取而代之的是克服了这种低频线性电源缺点的高效、节能、稳定可靠的开关电源。其原理框图见图1。  

图1：开关电源原理框图

       安森美公司根据市场要求推出了电路简单、隔离式、效率高、节能型单片开关电源专用集成电路NCP101X系列，它是专门为取代家用电器及工业领域所用的小功率线性电源而设计的，其中的NCP1014尤其适用于设计家用空调控制器的开关电源。

       NCP1014单片开关电源的性能特点

       NCP1014单片开关电源IC能满足交流85－265伏宽电压输入范围和输出功率在10W以内的家用空调控制器 开关电源的设计，这种开关电源不仅能取代现有的笨重的线性电源变压器，而且还可增加控制器电源多种保护功能，提高空调的可靠性。NCP1014主要还有以下性能特点：

       1）能以最少数量的外围元器件，构成隔离式、节能型开关电源。与传统的低频线性电源解决方案相比，不仅能达到比低频线性电源更好的电压调整率和负载调整率，而且还可提高整个电源的转换效率。

       2）采用了动态自供电技术，电源功率小于5W时，可省去辅助电源绕组，简化了电源高频开关变压器的设计。利用频率抖动技术能将电磁干扰降低至最少，还能减小EMI滤波器的器件和功耗。

       3）内置700伏高压MOS功率开关管，能适用在交流85～265伏宽电压输入范围工作的开关电源，根据需要，电源可设计在连续（CCM）和不连续（DCM）两种模式下工作。

       4）超低功耗。IC如果采用外部偏置电路供电时，开关电源空载时能在低峰值电流的频率跳变模式下无噪声工作，整机的功耗小于100毫瓦。

       5）电流模式控制每个开关周期功率开关管的峰值电流，使开关电源具有良好的动态负载响应速度，IC内部同时自带有1毫秒的软启动电路，可保证开关电源在开机时内部无电流、电压过冲现象。固定的工作频率有65kHz、100kHz、130kHz三种可供选择，可根据电源体积大小灵活选择不同的开关变压器体积。

       6）保护功能完善。反馈光耦可直接与IC反馈脚连接，无需复杂的外围电路。芯片内部有短路后自动重启动的保护电路、开环故障检测及过压锁定保护电路、限流保护电路和具有滞后特性的过热保护电路。

       NCP1014空调控制器开关电源的典型应用方案

       ■ 电路的基本结构

       由NCP1014构成的10瓦隔离式空调控制器开关电源，其电路采用常见的反激式拓扑结构，如图2所示。FR1为熔断电阻器，D1－4为输入级整流管，C1及C2为输入级滤波电容，L1为输入级EMI差模抑制电感。D5、C3和R1分别为吸收电路超快恢复二极管、高压陶瓷电容和功率电阻。T1为EE22铁氧体磁芯高频功率开关变压器。U1为NCP1014单片开关电源IC，D6、R2和C4分别为辅助电源整流二极管、限流电阻和电解滤波电容。U2、R3和ZD1分别为次级电压反馈高压隔离光耦、限流电阻和电压参考稳压二极管。D7和C6分别为12伏输出电源超快恢复整流二极管和电解滤波电容。U3和C7分别为5伏输出电源稳压IC和电解滤波电容。C5为安规Y2电容。 

图2：常见的反激式拓扑电路结构

     ■ 电路设计要点

       以图2为例，介绍用NCP1014设计空调控制器开关电源电路的基本要点。

      ● 高频功率开关变压器T1

高频开关变压器是开关电源核心器件之一，其参数的设计直接影响到开关电源的许多性能。设计时须全面综合考虑开关电源各个方面因素。采用不连续模式时，开关变压器的电感量应选择少一些，反之，采用连续模式时，变压器电感量应选择大一些。变压器匝比的选择应结合需要的最大占空比、功率开关管和次级整流二极管的反向耐压值来考虑。一般来讲，功率小的开关电源采用不连续的工作模式。

       ● 初级输入滤波电容C1和C2

       C1和C2可选用普通的电解电容，主要作用是对输入电压平滑滤波，滤除100赫兹纹波电压，为开关电源提供相对稳定的直流电压。宽电压输入范围时，C1和C2至少要保证开关电源每瓦有2微法以上的电容量。

       ● 差模抑制电感L1

       L1与输入电容C1和C2一起构成Л型滤波电路，起到抑制开关电源EMI的作用。推荐L1采用带铁氧体磁芯的电感，L1的电感量应大于或等于设计值，所能承受的有效值电流也要留出一定余量。

       ● 初级RCD吸收电路R1、C3和D5

       其主要作用是用来吸收功率开关管关断时产生的上升沿尖峰电压能量，减少尖峰电压幅值，防止功率开关管过电压击穿。R1要求采用1W以上的功率电阻，阻值在68千欧左右。C3要求用低等效串联电阻的陶瓷电容，容量在1000皮法左右，耐压值在400伏以上。D5则要求选用超快恢复二极管，反向耐压值在600伏以上。

       ● 辅助电源电路R2、C4和D6

       C4选用22微法普通的电解电容。D6要求用有足够高反向耐压的开关二极管。由于NCP1014的过载、过压和过流等保护功能是通过检测辅助电源的电压幅值来实现的，R2阻值调整要特别注意，阻值过大，IC容易欠压保护，反之，又可能过压保护。

       ● 次级输出滤波电容C6

       C6的主要作用是平滑滤波。鉴于C6的等效串联电阻（ESR）和容量直接决定了输出电压的纹波电压大小，因此，要尽量选择低ESR值和容量大的电解电容。

       ● 反馈取样电路U2、R3和ZD1

       U2选用普通隔离光耦，如PC817。稳压管ZD1提供12伏输出电压的参考电压，R3是稳压管ZD1的限流电阻，将稳压管的工作电流限制在5～10mA。也可通过调整R3阻值微调12伏的电压值。

       ● 次级整流二极管D7

       D7应选用具有足够高反向耐压的超快恢复二极管。为减少正向导通损耗，也可选用有足够高反向耐压的肖特基二极管。不连续模式时，D7的反向恢复时间应小于75ns，采用连续模式时，要求D7的反向恢复时间小于35ns。MUR220属于这类超快恢复二极管。不要使用普通的快恢复二极管，因为，这种管子的反向恢复时间有几百ns。

       ● 二次5伏线性稳压电路U3和C7

       U3选用价格低廉TO220封装的7805稳压IC，由于5伏电源电流较少，U3输入端可直接连至12伏电源。C7选用47微法普通的电解电容就能满足要求。

      结束语：

     家用空调控制器电源采用开关电源方案是空调产品发展的最终趋势。NCP1014单片开关电源方案具有性能稳定可靠、使用灵活、电路简单、成本低廉等优点，在家用空调控制电源中具有相当大的应用市场。如有需要，利用NCP1014也可设计多路输出式开关电源，其要点是电源总的输出功率等于各路输出功率之和。