开关电源在中央空调上的归一化设计

陶 淦林文涛何成军柳东营

(青岛海信日立空调系统有限公司,山东 青岛 266510)

共享货架(common building block,CBB)是一些可以在不同产品和系统之间共用的零部件、模块、技术及其他相关的设计成果。CBB 可以分为技术货架(平台)和产品货架(平台)。国际商用机器公司(international business machines corporation,IBM)的个人计算机(personal computer,PC)公司通过实施CBB,在合并关键零部件方面取得较大的成功,机箱结构种类从14种降为4种,母板种类从15种降为4种。而华为通过大量使用共享平台,其产品质量也有了较大幅度的提高。近年来,企业界对CBB 的研究日益成熟和完善[1],研究对象从电子信息类[2]扩展到国民生产的方方面面,如雷达[3]和军工质量[4]等。由于日立中央空调的许多基板来源于日本,且开关电源方案种类繁多,因一些特殊原因,有些芯片无法正常供货。为保障生产,一种方案是国产化替代[5],另外一种方案是寻找新的芯片进行替代,无论哪种方案替代都会增加供货种类,可靠性还需进一步验证[6]。基于此,本研究借鉴CBB的设计理念,对开关电源芯片进行归一化设计,研究如何用海信成熟的一款芯片,实现在不同产品和不同电源架构的共享应用。该设计能有效减少中央空调上开关电源芯片的数量,保障日立空调在市场上的占有率,提升了海信日立空调在基础硬件研究领域的地位。

中央空调[7]是1个室外机拖多个室内机,中央空调架构如图1所示。图1中,虚线框以内是室外机,虚线框以外是室内机。室外机架构复杂,包含变频驱动等关键核心电路。对变频驱动供电的开关电源架构主要有2 种,一种是非全隔离Flyback[8](反激)的多路开关电源;另一种是单路高压Buck[9](降压式不隔离)电路。室内机架构相对简单,对其供电的开关电源是全隔离Flyback(反激)多路开关电源。

图1 中央空调架构

非全隔离定义为:输出一路绕组和输入电源有公共的地,另外一个绕组与其他绕组不共地,室外机多路非全隔离电源框图如图2所示。图2中,变压器S1绕组输出直流15 V,其跟输入电源共地,参考基准标识为GND2;另外一个绕组S2输出直流也是15 V,但与其他绕组隔离,参考基准标识为GND1。

图2 室外机多路非全隔离电源图

室外机高压不隔离转换电路原理框图如图3 所示。输入高压,并输出一个直流低电压(一般都为15 V)。芯片开通时,高压经过电感L1降压;芯片关断时,储存在电感L1的能量通过D1-L1-C3回路,输出需要的电压。

图3 室外机高压不隔离转换电路原理框图

室内机全隔离的开关电源原理框图如图4所示。变压器提供初次极的隔离,通过控制芯片和光耦反馈,输出相应的电压值。

图4 室内机隔离的开关电源原理框图

鉴于以上3个不同的使用场景,大部分公司一般都会采用3种电源方案,假如在不同年份重新开发新的基板,并引入不同的电源方案,导致整个公司将存在多于6种电源方案,这样会给供货保障和电源通用化带来极大的困难。

归一化是一种简化计算方式,即将有量纲的表达式经过变换,化为无量纲的表达式,成为标量。本文提出的开关电源在中央空调上的归一化设计,其的核心理念是把空调基板上多个开关电源的芯片改为1个芯片来实现。海信日立空调3种架构的开关电源比较如表1所示。由表1可以看出,海信日立空调3种电源架构方案的功率相差不大。

表1 海信日立空调3种架构的开关电源比较

设计一款功能简单、功率不超过15 W,既能实现隔离Flyback(反激)功能,又能实现Buck非隔离功能的芯片,即可实现电源芯片的归一化设计。因此,本研究从2个维度进行设计:一是采用隔离的Flyback(反激)架构,实现高压Buck;二是采用高压Buck架构,实现隔离的Flyback。2种实现方案的优缺点如下:

1) 隔离的Flyback架构。该芯片最少要4个管脚,1个高压输入,1个高压输出,1个地,1个Vcc(有可能还要1个反馈),企业界有类似方案(见文献[10]),但该芯片工艺复杂,价格昂贵。

2) 高压Buck架构。该芯片最少要3个管脚,1个高压输入,1个高压输出,1个Vcc,该方案比较难,但该芯片工艺简单,价格便宜10%。

通过对以上2种架构的比较分析,采用Buck实现Flyback功能难度系数较大,但是芯片简单,可靠性高,为此海信日立决定自研Buck,实现Flyback功能。

企业Flyback转Buck的方案比较成熟,且Flyback芯片电流一般都比较小,而采用Flyback实现Buck架构,无法实现大功率的Buck,因此,企业界出现许多抽头降压式方案(tapped-buck power stage,TBPS)的设计理论和方法[14-18]。采用Flyback实现Buck架构如图5所示。

图5 采用Flyback实现Buck架构

本设计包括原理图和印制板(printed circuit board,PCB)两部分,在设计原理图的同时,需要同步设计开关电源的相关参数。验证环节主要是把设计和调试好的基板进行开关电源白盒测试和可靠性验证,但该内容不在本文重点讨论范围之内,可以参考文献[19]～[21]。本文主要研究在架构上如何实现Buck替代Flyback的功能。

3.1 采用Buck实现Flyback功能的架构设计

经过多轮原理图和PCB图设计,本设计采用黄金分割优选法进行实验,最终设计出具有全部自己知识产权的电路架构,撰写了开关电源归一化的发明专利[11-12]。Buck实现Flyback的电路功能框图如图6所示。

图6 Buck实现Flyback的电路功能框图

3.2 芯片的选择过程和方法

1) 芯片选择。本研究选用海信日立已成熟应用的高压Buck芯片(BM2P104Q-Z),该芯片功能简洁,只有3个有效的管脚,芯片规格详见厂家规格书[10]。

2) 二极管D6。这是本设计的核心关键点,二极管D6有两个作用,一是隔离,二是微调电压。假如没有D6的隔离,电源一上电,会有2条充电回路,没有D6隔离的启动回路如图7所示。图7中,充电回路①是正常的充电回路,电源经过整流桥(位号DM)-变压器(位号L601)芯片(位号IC601)地(GND2);充电回路②是整流桥(位号DM)-变压器(位号L601)-芯片(位号IC601)-ZD1-地(GND2)。因为没有二极管隔离,所以不隔离的变压器输出一直会有一个芯片的Uref电压,参考芯片规格书,Uref＝10 V,此时,整个系统会一直工作在欠压状态,因此系统无法正常工作。

图7 没有D6 隔离的启动回路

无法正常工作的波形如图8所示。图8中,Vin是整流后的直流电压波形,芯片C脚是给芯片供电的引脚波形,15V-D 是次级输出的直流15 V 电压波形。当没有D6时,虚线框内是无法正常工作的波形,可以看出芯片的C脚一直在振荡,15V-D 脚的电压逐渐降低,系统无法正常工作。

图8 无法正常工作的波形

3)R601和C601。本设计的第3个核心关键点是R601和C601,先计算C601,芯片启动波形如图9所示。

图9 芯片启动波形

图9中,波形①是对应芯片C脚(供电脚)的启动过程,波形②是15V-D,即输出15 V 直流对应的启动过程。横坐标是测试时间,每格40 ms;纵坐标是测试电压,波形①和波形②每格刻度都是5 V,为了清楚的区分两者启动过程,波形①和波形②的纵坐标零点不在同一位置上。

芯片的启动公式为

式中,I1为芯片工作电流;Δt为芯片正常工作时间;C为芯片供电的电容值(C对应图6中的C601);ΔU为工作电压的上限和下限差值。

查器件规格书可知,正常工作电流I1＝1.2 m A,Δt＝25 ms,ΔU＝2.9 V(芯片的VCCOVP电压为11.0 V,VCCStop Voltage电压为8.1 V,ΔU＝11－8.1＝2.9 V),计算需要的电容C≈10μF。

R601是使芯片正常工作时,能保持正常增益,但正常工作时,假如供电25 ms,芯片的反馈脚没有变化,控制就会紊乱,所以在正常工作时,要时刻保障反馈脚和VCC脚的电压能迅速反馈,一般取5个周期的反馈时间,芯片的工作频率为100 K,5个周期是50μs。芯片的VCCStop Voltage为

式中,Voff是芯片的VCCStop Voltage(规格书为8.1 V);Von是VCCControl Voltage(规格书为10 V);C＝10μF。

解析R＝10Ω(理论计算数值),实际测试不启动波形如图10所示。图10中,波形①对应芯片C脚(供电脚),反复重启,波形②对应15V-D(输出直流15 V),电压达不到设定的输出电压值,也反复重启。横坐标是测试时间,每格400 ms;纵坐标是测试电压,波形①的每格刻度是2 V,波形②对应的每格刻度是5 V。为区分两者启动过程,波形①和波形②的纵坐标零点不在同一位置上。

图10 实际测试不启动波形

由于使用上述理论计算数值R,在电路上并不能稳定工作,对相应的数值需要使用优选法[13]进行确认。R取值范围在10～1 000Ω 之间,假设对此区间的每个电阻数值都用实验来验证,费时费力,通过采用黄金分割优选法,其基本思想是去坏留好,可以用最少的试验次数找出最优的设计参数。黄金分割优选法如图11所示,图11 中,a为最小设计电阻,a＝10Ω,b为最大设计电阻,b＝1 000Ω,f(x)表示设计电阻从10～1 000Ω 时对应的测试波形(包含正常的和不正常的)。

图11 黄金分割优选法

采用黄金分割优选法对电阻数值进行优选,第1次和第2次电阻数值分别为

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

按照此理论,经过4轮筛选和计算,确认R的最优值为220Ω,设计出符合要求的电路参数,解决了Buck跟Flyback芯片相互转化的问题。

本文主要对开关电源拓扑技术进行研究,实现了不同产品平台和不同电源架构的电源芯片共享功能,是芯片“卡脖子”问题的另外一种解决思路,即在充分调研公司产品原理的基础上,深入挖掘各个产品的共性功能,采用能保障公司供货,且性价比最优的芯片,替代供货保障困难的芯片。由于本研究中的开关电源芯片还没有实现国产化,后续会与目前国内主流的芯片厂家进行深度的技术交流,研究其实现的可能性。同时,为了实现供货保障的双保险,后续也会对本文研究的对象进行逆向研究,即如何用简洁方式实现Flyback芯片与高压Buck芯片转化功能。该研究对消费电子类企业实现CBB平台的架构优化具有一定的参考意义。