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openresty/1.9.7.4采用新型电子恒温器的高能效冰箱控制解决方案 - 电源设计应用_冰箱_中国百科网
采用新型电子恒温器的高能效冰箱控制解决方案 - 电源设计应用
    采用新型电子恒温器的高能效冰箱控制解决方案
来源：意法半导体 作者：Stello Matteo Billé,日 15:46
[导读] 本文提出一个能够节能20%的电子解决方案：利用电子恒温器对冰箱进行数字温度控制。本文还介绍了意法半导体最新推出的评估板（STEVAL-IHT001V2）以及配套的PC软件工具。
关键词：冰箱控制电子恒温器
　　提高能效标准和实施更严格的环保政策的要求是推动家电行业技术创新的两大动因，尤其是冰箱，冰柜等制冷系统。家电厂商采用多种不同的技术提高冰箱的能效。
　　本文提出一个能够节能20%的电子解决方案：利用电子恒温器对冰箱进行数字温度控制。本文还介绍了意法半导体最新推出的评估板（STEVAL-IHT001V2）以及配套的PC软件工具。
　　提高能效标准和实施更严格的环保政策的要求是家电行业技术创新的两大动因。
　　在全世界范围内，这个要求特别适用于冰箱行业，因为工作负荷大，冰箱是用电量最大的家用电器。如图10所示，在过去的10年来，欧洲制冷市场转向高能效产品（参考 ［1］和 ［2］）。
　　图 1 - EU-25 制冷市场份额
　　家电厂商采用多种不同的技术提高冰箱、冰柜等制冷的能效；某些方法是提高箱室的保温能力（即提高保温层的厚度或采用新型材料），其它方法是设法提高压缩机和/或应用的能效。
　　在第二种方法中，可采用不同的策略；其中，昂贵的变频驱动器（VFD）配合3相永磁同步电机（PMSM）是一个很实用的解决方案。
　　本文介绍一个电子恒温器解决方案，无需改变今天冰箱最常用的电机（单相感应式交流电机），还能节省先进解决方案的能源。
　　本文还将介绍意法半导体为这个解决方案开发的软硬件评估工具。
　　机电恒温器
　　冰箱通常使用两种不同的机电恒温器。
　　第一种恒温器（最常用）是内部充满气体的毛细管。恒温管与膜片相连，当箱室温度升高时，恒温管内气体膨胀，推动膜片操作一系列触点，启动压缩机。当然，这类恒温器的特性（即干预温度）也会受到外界气压变化的影响。
　　第二种机电恒温器是一个制成线圈状的又长又薄的金属条，金属条由焊接或铆接在一起的两种不同金属材料组成。因为两种金属的受热膨胀性质不同，线圈将会随着温度变化而弯曲或伸直，这类恒温器的特性不会受到外界气压变化的影响，但是，测量精度不是很高，而且随着恒温器老化，温度调控会产生变化。
　　此外，基于这两种机电恒温器的温度控制系统无法改变温度迟滞，即冰箱压缩机电源通断之间的温度差。
　　数字温度控制系统
　　图2所示是基于电子恒温器的数字温控系统的功能框图，系统主要组件包括：
　　- 温度传感器（经过适当调节），用于提供反馈信号
　　- 可编程微（MCU），用于读取反馈信号（通过片上模数转换器外设），处理信息，指挥电子执行器操作
　　- 电子执行器，用于启动或关闭压缩机
　　在本例中，温度传感器是热电偶或负温度系数（NTC）器件。与机电式恒温器不同，这两种器件都不接触活动元件，因此性能更安全可靠。
　　图 2 & 数字温控系统
　　因为是连续读取温度，而且是微控制器要求的精度，所以系统可以控制温度，限制箱室内温度随时间变化。
　　如在［3］所述，温度波动降低有三大好处：
　　- 更好地保存食物
　　- 热动态效率提高（因为蒸发器温度波动越低，蒸发器最低温度就越高，压缩机利用率也就更高）
　　- 压缩机和蒸发器尺寸缩小
　　［3］还特别例证了用数字温控系统（见图2）代替机电恒温器并正确选择最优的温度迟滞后，功耗最大降幅达到20%。
　　此外，可编程微控制器保证的灵活性可为设备增加更多功能，让家电厂商能够在相同的硬件环境内轻松实现产品差异化。
　　例如，可以每隔n个热周期修改温度迟滞，使蒸发器温度高于0&C，这可以除去蒸发器上的积冰，进一步提升冰箱能效（因为冰层有隔离作用）。
　　此外，还可以增加很多与温控没有直接关系的功能。例如，随时间变化的温度趋势和总能耗可反馈给最终用户（通过LCD）。用户界面还可增加开门报警、温度报警和内部照明灯（灯泡或LED）点亮等功能。
　　意法半导体的系统解决方案
　　在电子恒温器范围内，意法半导体开发了一套恒温器开发工具（订货代码：STEVAL-IHT001V2），这是一个安全可靠且低成本的数字温控解决方案，利用微控制器和交流开关控制冰箱、冰柜或冰箱冰柜多功能产品的温度。
　　STEVAL-IHT001V2评估板可控制一个单相感应电机和一支灯泡，还可以选择控制一个除霜电阻器和一个风扇，适用于 120/240 V RMS 50/60 Hz 交流电源电压。这块板子符合电磁兼容标准：在进行IEC标准测试过程中，系统承受高达3.1 kV 的高压脉冲串而未发生任何异常或失控。测试电压提高到 5kV时，出现暂时失控现象，干扰停止后，失控现象消失。此外，评估板还经过2 kV浪涌测试（IEC standard），半导体元器件无任何损坏［4］。
　　图 3： STEVAL-IHT001V2评估板
　　评估板配有一个叫做‘Thermostat kit application GUI’的恒温器评估板图形用户界面（GUI） PC 软件，用于应用演示和开发目的 （在
下载软件）。利用 GUI软件可以配置恒温器评估板的版本 & 基本版（仅限于压缩机和灯泡控制）、除霜版（压缩机、灯泡和除霜电阻控制）、气流循环版（压缩机、灯泡、除霜电阻和风扇控制） ，这个不同版本分别定位于低端、中端和高端制冷设备市场。GUI还准许用户设置和测量主要应用参数。
　　低成本的STM8S003F3P6微控制器负责控制恒温器，该微控制器属于STM8S主流系列微控制器，以片上功能丰富且成本低廉为亮点。此外，该产品最大限度地缩减了引脚数量。板上还搭载一颗带USB接口的微控制器，该微控制器仅用于应用演示目地，通过USB接口在PC机与恒温器评估板之间通信。
　　如图3所示，STEVAL-IHT001V2 恒温器开发板分为两部分，恒温器控制器件全都安放在左侧（控制侧），所有的通信器件都安放在右侧（接口侧）。
　　控制侧的主要元器件：
　　- 低成本电容电源 & 如功率要求较高，可用开关电源（如基于VIPer06的 STEVAL-ISA071V1）替代这部分器件
　　- 控制和执行部分 -STM8S003微控制器、交流开关 （1个ACST610-8FP、1个ACS110-7SN和2个 ACS102-6TA），用于控制压缩机、除霜电阻、灯泡和风扇
　　- 用户界面：两个温度升降按键；5支绿光LED温度指示器、蜂鸣式开门报警器
　　- 连接器 & 用于连接 NTC和冰箱门开关
　　评估板有两种工作模式（单机或 GUI驱动），可用一个开关开启其中一个模式。在单机模式，控制参数（脉冲时序、温度、冰箱型号）最后装入GUI。STEVAL-IHT001v2 负载控制 - 采用新型电子恒温器的高能效冰箱控制解决方案
来源：意法半导体 作者：Stello Matteo Billé,日 15:46
[导读] STEVAL-IHT001v2 负载控制 所有负载由脉冲栅电流以全周期模式控制， STM8S 微控制器检测交流主电源的电流上升沿和下降沿，使栅脉冲与交流主电源的电压同步
关键词：冰箱控制电子恒温器
　　STEVAL-IHT001v2 负载控制
　　所有负载由脉冲栅电流以全周期模式控制， STM8S 微控制器检测交流主电源的电流上升沿和下降沿，使栅脉冲与交流主电源的电压同步。
　　图4： 栅电流脉冲时序定义
　　STEVAL-IHT001V2板载温度传感器执行温度控制。该传感器是EPCOS研制的一款隔离型2类NTC电阻器，应该放置在冰箱或冰柜的蒸发器上。调温由一个通断迟滞控制器负责。如果温度测量结果高于上限（THIGH_lim），则开启压缩机；当低于下限（TLOW_lim）时，则关闭压缩机（见图 5）。
　　实现了五个温度设置点；在每个点可指定一个蒸发器温度和一个定义前文提到的极限值的温度迟滞。
　　图 5： 迟滞原理
　　ACST610-8FP器件用驱动压缩机。该器件属于ACS&/ACST系列电源开关，采用A.S.D.& （专用分立器件）技术。 这款高性能开关适用于家电和工业系统，驱动电流高达6A。
　　ACST6系列器件设计用于控制中等功率负载，例如，家电中的交流电机，热性能在静态和瞬变（压缩机电涌电流）时都十分出色。
　　除压缩机控制外，通过一个板载开关还可以模拟冰箱/冰柜开门操作。根据冰箱门开关所在位置，内部照明灯点亮或熄灭。如果冰箱门开启时间超分1分钟，则蜂鸣器报警，同时五个温度LED指示灯闪烁。
　　灯泡由ACS102-6TA驱动，这是一个高性能的交流开关，能够控制最高0.2A的负载。
　　第二个 ACS102-6TA用于控制‘气流循环’式冰箱的风扇。风扇只在与压缩机配合工作时才运转，当冰箱门打开时，风扇暂时停止运行。
　　除霜电阻（在除霜和气流循环两款冰箱内，除霜电阻可控制）由ACS110-7SB2驱动。这是一个高性能开关，能够控制最高1A的负载。
　　ACS102 和 ACS110 是为低功率负载专门设计的开关，例如，、阀门、、执行器、微电机、泵、风扇和除霜加热器。还用于其它设备（如洗碗机和洗衣机）。
　　在 STEVAL-IHT001V2评估板上，ACS110开关在GUI软件定义的‘Defrost activation delay’ 参数时间之后打开。这个时间与压缩机ACST ON时间总和比较。当时间总和大于 ‘Defrost activation delay’时，除霜电阻ACST功能开
　　启，当蒸发器温度高于THIGH_lim（图6）时，开关通电。在PC机软件定义的‘Defrost duration’时间内，开关保持通态。
　　Figure 6： Defrost control
　　恒温器评估板PC应用软件
　　这个恒温器评估板PC应用软件的开发目的是让用户能够设置某些控制参数，按照不同的冰箱型号 （基本型、除霜型、气流循环型）配置恒温器，在测试过程中从嵌入式应用采集数据。用户还可以选择用新的控制参数在单机模式下设置STM8S微控制器［5］。
　　GUI有两个控制选项卡：时序控制选项卡和温度控制选项卡。
　　在温度控制选项卡（图7）内，可以设备以下参数：温度档次、每个温度档次的蒸发器温度设置点和温度迟滞。
　　图 7： 温度控制选项卡
　　在时序控制选项卡（图8）内，用户可以控制TRIAC管栅电流脉宽、压缩机和风扇TRIAC管导通延迟、ZVS 延迟（微控制器命令与交流主电源电压同步）、除霜电阻激活延迟和除霜持续时间。点击‘Set’ 或 ‘Get’ 按钮，即可发送或接收这些参数。
　　图 8： 时序控制选项卡
　　另一个窗口是调试模式窗口，用于强制交流负载状态，简化电路板验证。其它窗口是数据采集、图表分析、测量和数据保存窗口。
　　对于查看众多的严格的能效标准和环保政策同时还要考虑成本的设计人员，像TEVAL-IHT0012一样的评估板太宝贵了。
　　参考文献
　　［1］： Consumers， business and climate change， The University of Manchester Sustainable Consumption Institute
　　［2］Latest Trends in Major Domestic Appliances efficiency， Gfk-RT
　　［3］Single-Phase Induction Motor Drive for a High-Performance Refrigerator，IATC 2003，L. Gonthier
　　［4］ UM1542 - User manual - Cold thermostat kit based on AC switches and the STM8S
　　［5］Thermostat kit V2 PC Software GUI Help
收录时间:日 23:02:44 来源:电子发烧友网 作者:匿名
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Copyright by ；All rights reserved. 联系：QQ：基于电流采样LED驱动芯片TRIAC调光技术的研究与设计
在全球能源危机日益凸显的背景下，发光二极管（LED）照明以其高效节能、绿色环保的绝对优势已经发展成为了当前最具潜力的照明方式之一。LED的普遍使用也推动了其驱动电源的开发和研究，如何提高驱动电源的安全性和驱动性能是当前这一领域的研究重点。调光技术的应用不仅可以提高我们的视觉效果，改善生活质量，而且可以进一步的节约能源，延长LED的使用寿命。目前市场上采用TRIAC调光的日光灯和白炽灯占大多数，因此只有设计出能够兼容TRIAC调光的LED驱动器才可以节省成本并迅速占领市场。　　本文基于电流采样技术，设计了一款具有调光功能的LED驱动芯...展开
在全球能源危机日益凸显的背景下，发光二极管（LED）照明以其高效节能、绿色环保的绝对优势已经发展成为了当前最具潜力的照明方式之一。LED的普遍使用也推动了其驱动电源的开发和研究，如何提高驱动电源的安全性和驱动性能是当前这一领域的研究重点。调光技术的应用不仅可以提高我们的视觉效果，改善生活质量，而且可以进一步的节约能源，延长LED的使用寿命。目前市场上采用TRIAC调光的日光灯和白炽灯占大多数，因此只有设计出能够兼容TRIAC调光的LED驱动器才可以节省成本并迅速占领市场。　　本文基于电流采样技术，设计了一款具有调光功能的LED驱动芯片。该芯片具有高的功率因数，可实现TRIAC调光器对输出电流的精确控制。芯片内部的整个反馈环路是由数字电路实现，减小了由于工艺偏差而导致的误差。采用先进的电流采样技术，实现了对输入线电压的监测，减少了芯片的引脚数量，节约面积和成本。基于TRIAC切角测量技术，设计出一个频率可调的时钟振荡电路，其频率是跟随输入线电压频率的变化而变化的，两者之间满足一个定量关系，从而获得了无闪烁的恒流输出控制。巧妙的设计了导通时间延长电路，用来增强过零检测的准确度，过零比较器采用低功耗设计，减少了芯片的耗电。芯片的应用范围广泛，AC输入线电压在85 V~265 V，频率在47 Hz~63 Hz范围内变化时，均能正常的工作。　　论文对芯片内部的核心模块：电流采样电路、过零检测及过流检测电路、导通时间延长电路、切角测量模块进行了详细的分析和仿真验证。最后使用台积电公司的0.5μm BCD工艺库，利用Hspice软件在25℃下，对芯片整体及其拓扑结构进行了仿真，仿真结果表明本文所设计的基于电流采样，带可控硅调光，恒流输出的LED驱动芯片能够很好的符合各项指标要求，即使在线网电压存在波动时，也不会出现闪烁的问题。收起
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原边控制带TRIAC调光的LED驱动电源设计
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& & & & LED 由于其高亮度、节能和长寿命成为第四代照明光源。节能型LED 调光是目前应用和研究的热点之一。目前,LED 照明主要的调光方式有:模拟调光、脉宽调制(PWM)调光、可控硅(TRIAC)调光。而可控硅调光由于不需改变原有线路,是目前普遍采用的一种调光方式。请参考：最新高能效LED照明解决方案。适于TRIAC 调光的非隔离LED 驱动器,
& & & & LED 由于其高亮度、节能和长寿命成为第四代照明光源。节能型LED 调光是目前应用和研究的热点之一。目前,LED 照明主要的调光方式有:模拟调光、脉宽调制(PWM)调光、可控硅(TRIAC)调光。而可控硅调光由于不需改变原有线路,是目前普遍采用的一种调光方式。请参考：最新高能效LED照明解决方案。适于TRIAC 调光的非隔离LED 驱动器,是在电路中加入电容器网络增加维持电流以保证TRIAC工作在线性周期,从而避免闪烁问题。但是,这种方法仅适用于半桥结构,需要外加电路来检测TRIAC 的调光角。针对带隔离输出的TRIAC 调光的LED 驱动应用提出的适于反激PFC 转换器的前馈控制方案,输出电流通过输入功率控制,但输出电流精度受到限制。由于TRIAC 与LED 兼容大部分行业的解决办法效率都低( 触发角检测和TRIAC 维持电流需要虚拟负载),复杂的隔离反馈结构或两级转换的高成本,因此,对于简单高性能且适用于TRIAC 调光的LED 驱动器仍有必要。本文设计原边控制的单级反激变换器,适于TRIAC 调光且与LED 驱动器兼容的驱动方案。输出电流由原边检测的信号精确地计算控制,在DCM 模式下操作转换器,输入电流将跟随输入电压得到高功率因数,使LED 驱动器与TRIAC 调光器很好地兼容。此外,使用原边控制,使得输出电流信号和TRIAC 调光信号在原边获得,简化电路功能。输出电流通过TRIAC 导通角的变化改变,得到近乎线性的调光曲线。1 工作原理由于TRIAC 调光很普遍,成本较低,因此,能够与LED 驱动电源兼容的TRIAC 调光器很普遍。在实际应用中,尽管由于输入电流高度扭曲使得功率因数无关紧要,但在带PFC 控制的调光中,使输入电流跟随输入电压仍具有意义。本文的控制方案使输入电流跟随电压变化,得到较高的功率因数。TRIAC 调光功能可以很容易实现,关键是如何检测调光角和改变基于调光角的输出电流。1. 1 TRIAC 调光器图1 给出了TRIAC 调光器经整流后的波形图。由图可看出,TRIAC 在琢角时触发导通,当电压过0 时关断。此时触发相位角的输出电压Vout由式(1)计算。out和Vin 分别是调光器输出电压和线电压的有效值。VF 是LED 的阈值电压。此时功率因数可由式(2)表示。图1 TRIAC 调光器整流后波形1. 2 单级反激PFC 变换为得到较高的功率因数,反激变换器通常用于DCM 或CRM 模式。原边控制的反激变换控制原理图如图2 所示。每个开关周期的输出电流都由Io 计算模块计算,然后累积输出电流Io-est 与输出参考电流Io-REF 比较,误差信号Vea 反馈给乘法器。误差放大器的频带宽度远低于传统PFC 控制器的线性频率。乘法器的其他输入是电流波形参考信号Vac(t),与整流器总线电压Vd 有相同的波形。乘法器IREF输出用来控制流经原边开关的峰值电流。图2 原边控制的反激PFC 电路当原边开关Q1导通,变压器磁化电流(isw)呈线性增加。当isw达到参考电流IREF,开关Q1关断,磁化电流传输到副边。副边二极管D1导通,磁化电流线性增加。一旦电流达到0,开关管Q1重新导通。在DCM 模式下的稳态波形如图3 所示。图3 DCM 模式下原边信号的稳态波形 & & & & 2 电路设计及实现针对TRIAC 调光中出现的尖峰电流及LED 灯闪烁问题,在电路中设计无源泄放电路和有源阻尼电路,主功率拓扑采用单级反激变换电路,工作于电流断续模式。电路图如图4 所示。其中,输入电压范围为90 Vac ~265 Vac,输出功率:8 W;输出直流电压:22 V;输出电流:350 mA;调光范围:1% ~100%;调光过程稳定无闪烁。图4 基于FL7730 的TRIAC 调光驱动器原理图电路主要包括:无源泄放电路,有源阻尼电路,控制电路,单级反激变换电路。其中控制电路选用飞兆半导体的控制芯片FL7730。FL7730 是一款适合于单级反激拓扑的有源功率因数校正控制器,采用模拟检测方式,可兼容传统的TRIAC 调光,实现调光控制。本设计采用原边控制简化电路,降低成本,同时效率达到0. 8 以上。调光过程平稳且LED 灯无闪烁,较好地实现线性频率控制,实物图如图5 所示。图5 调光控制实物图图4 中,MOS 管电流有效值和耐压值分别由式(5)、式(6)计算:其中,IPKP是初级电流峰值,VPKmax是最大输入交流电压峰值,VR 是反射电压,ΔV 是漏感电压。副边输出电流ILED由式(7)计算。其中,TDIS 为开关关断时间,T 是开关周期,VCS 是原边电流检测电压。2. 1 无源泄放电路的设计无源泄放电路为TRIAC 提供维持电流和擎住电流,避免LED 的闪烁和误触发。在图4 中由电阻R1和电容C1组成。电感L4为输入滤波电感。其中,C1 的大小决定TRIAC 导通的泄放电流的大小。在调光中,泄放电流大,调光稳定性越高。电阻R1在电路中起阻尼作用,抑制调光器触发时电容C1快速充电引起的尖峰电流。2. 2 有源阻尼电路设计图4 中左上部分为有源阻尼电路,电阻R2、R3,电容C3,二极管和MOS 管Q1 组成,用来抑制尖峰电压。其电路工作波形图如图6 所示。在调光器触发时,容易引起较大的电流尖峰,通过电源线路,为电容CIN快速充电。如果没有阻性阻尼,该电流尖峰将引起电源电流振荡,大电流将引起调光器误触发,破坏TRIAC 调光器。采用阻尼电阻可以抑制尖峰电流,阻尼电阻的功耗也会较高。图6 阻尼电路工作波形 & & & & 3 仿真结果及数据分析图7 给出了在不同导通角时整流桥输出电压的波形图。由于调光器内部RC 电路的延时作用,使得最大最小调光角受到限制。由图中可看出,随着控制角的增大,可调电压的范围逐渐变小。同时由于电路中加入有源阻尼,有效地抑制了尖峰电压。图8摇调光曲线图(调光角相对LED 电流的关系)图8 所示是调光角与LED 输出电流之间的关系,表1 给出了实验数据。由图8 可以看出,随着调光比的减小,LED 电流平滑地下降,实现平稳调光。这是由于调光角越小,可调电压范围越小,输入电压有效值也减小,因此输出电流也减小。由表1 可知,电路的功率因数达到0. 9,效率在0. 8 以上。图7 不同控制角时输入电压的波形图8 调光曲线图(调光角相对LED 电流的关系)4 结论本文分析了TRIAC 调光器及单级PFC 反激变换器的工作原理, 基于飞兆半导体控制芯片FL7730,设计一款支持TRIAC 调光的原边恒流控制的小功率LED 驱动电源。设计的有源阻尼电路及线性频率控制电路,有效抑制尖峰电压,解决闪烁等问题。该原边控制的设计使LED 驱动电路结构简单,与现有照明系统兼容性好,效率高,成本低。很好地满足室内LED 驱动器的实际应用要求。
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