天井機(jī)空調(diào)接錯(cuò)線的失效分析與研究

0 引言

天井機(jī)空調(diào)，又稱天花機(jī)或者吸頂式、嵌入式空調(diào)，和柜式的掛機(jī)差不多。但其功率較大，主機(jī)厚度薄，安裝于天花板上，可以節(jié)省出大量空間，且比較美觀。其出風(fēng)模式是垂直下來(lái)，可以到達(dá)空間內(nèi)每個(gè)角落，人體感覺(jué)較舒適。天井機(jī)空調(diào)近幾年在市場(chǎng)需求較廣，由于不占室內(nèi)空間，且制冷量較大，被大量應(yīng)用于客廳、辦公室、商場(chǎng)門店等大型場(chǎng)所。

由于天井機(jī)的適用場(chǎng)合較廣，所以其內(nèi)外機(jī)之間連接距離較遠(yuǎn)，均為售后直接安裝配線，我司空調(diào)在售后安裝接線過(guò)程中出現(xiàn)內(nèi)外機(jī)主板通訊電路燒毀故障，燒毀失效后內(nèi)外機(jī)控制器無(wú)法有效連接通訊，導(dǎo)致空調(diào)整機(jī)無(wú)法工作。經(jīng)綜合分析為通訊線接錯(cuò)線導(dǎo)致電源交流電直接進(jìn)入通訊端口，瞬間浪涌使通訊電路器件燒壞。因此研究售后安裝接錯(cuò)線的失效模式、失效機(jī)理非常重要。采取有效的可靠性方案解決售后接線防錯(cuò)問(wèn)題，提升售后安裝接線的整體工作的可靠性。

圖1 通訊線接錯(cuò)線主板燒壞

1   事件背景

天井機(jī)空調(diào)在售后實(shí)際工作故障失效突出，統(tǒng)計(jì)售后使用時(shí)間均為裝機(jī)就出現(xiàn)失效。對(duì)故障件進(jìn)行復(fù)核分析，均為內(nèi)外機(jī)主板通訊電路器件短路燒毀，經(jīng)過(guò)多年的跟蹤空調(diào)實(shí)際應(yīng)用維修數(shù)據(jù)分析，已嚴(yán)重影響空調(diào)售后故障率，且在售后安裝過(guò)程中有重大的安全隱患。

圖2  禁止通強(qiáng)電標(biāo)示

2   接錯(cuò)線燒主板的失效原因

受使用場(chǎng)所影響，內(nèi)外機(jī)之間互聯(lián)通訊線均比較長(zhǎng)，我司采用的是串口通訊方式，主要運(yùn)用其信號(hào)傳輸距離較長(zhǎng)的特點(diǎn)。此天井機(jī)接錯(cuò)線時(shí)有發(fā)生，均為售前機(jī)。此類故障容易判斷，如下圖1所示，故障板通訊電路有P板印制線燒斷，大量器件燒毀，故障較明顯。此內(nèi)外機(jī)通訊電路實(shí)際采用24V直流電進(jìn)行信號(hào)傳輸，售后安裝過(guò)程中直接導(dǎo)致將電源電壓交流220V，甚至動(dòng)力電源380V直接接入到內(nèi)機(jī)或外機(jī)主板通訊端口。因通訊端口器件主要為半導(dǎo)體器件，以及貼片電阻、電容等器件，均被使用在低電壓弱電直流電源電路中，耐壓相對(duì)均較低，所以瞬間的強(qiáng)脈沖浪涌電壓就直接導(dǎo)致主板通訊口燒壞，甚至電源器件短路、主芯片也被燒壞，空調(diào)不能正常使用。

針對(duì)強(qiáng)電接到通訊端口問(wèn)題已在通訊接口增加警示標(biāo)示“禁止通強(qiáng)電”來(lái)提醒售后安裝工，如下圖2所示，實(shí)際售后接線安裝并沒(méi)有有效杜絕，作用不大，只能起到提醒作用。由于內(nèi)外機(jī)安裝連接線比較長(zhǎng)，存在較多重新加長(zhǎng)線情況，所以憑肉眼觀察與經(jīng)驗(yàn)是無(wú)法有效完全有效保證不接錯(cuò)線。

圖3  天井機(jī)主板通訊電路

3   電路設(shè)計(jì)核查分析

電路使用的是串行單路通信方式，電路如下圖3所示，其波形采用方波形式傳輸，采用高低電平0、1對(duì)信號(hào)進(jìn)行傳輸，傳輸電壓為直流24V，峰值電壓30V。我國(guó)市電電壓為交流220V，動(dòng)力電源為380V，售后在接線時(shí)將電源電壓接入內(nèi)外機(jī)通訊端口，瞬間浪涌電壓導(dǎo)致主板燒壞。

通訊電路波形如下圖4所示，采用直流24V電壓，實(shí)際測(cè)試峰值電壓不會(huì)超過(guò)30V，主板電路器件承受耐壓均較低，當(dāng)電源電壓接入到電路中，將會(huì)直接導(dǎo)致電路器件擊穿燒壞。

圖4 通訊電路傳輸波形

浪涌試驗(yàn)驗(yàn)證，如下圖5所示100V浪涌電壓對(duì)應(yīng)電流測(cè)試波形圖，三極管只能承受從通訊線進(jìn)來(lái)的1.5/50us浪涌電壓100V，超過(guò)100V三極管就會(huì)擊穿，售后接錯(cuò)線電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于此電壓。

圖5 100V浪涌電壓對(duì)應(yīng)電流

4   接錯(cuò)線燒主板失效解決方案

在實(shí)際接線中，為了防止售后接錯(cuò)線，增加了醒目標(biāo)示，已粘貼了“禁止接入強(qiáng)電”警告標(biāo)示。實(shí)際在售后安裝接線過(guò)程中由于接線距離較長(zhǎng)，只能起到一定輔助警示作用，并不能完全杜絕售后接錯(cuò)線的發(fā)生。在電路通訊接線口增加PTC轉(zhuǎn)接板后，完全可杜絕接錯(cuò)線導(dǎo)致后端電子器件的燒毀。正常情況下，電路器件對(duì)電壓信號(hào)不起作用，當(dāng)前端接入電壓超過(guò)通訊口峰值電壓時(shí)，保護(hù)電路就起作用，將電路鉗位在安全電壓范圍以內(nèi)，阻斷強(qiáng)電流或強(qiáng)電壓進(jìn)入后端電路器件。

4.1電路基本元件特性

4.1.1PTC電阻

PTC 熱敏電阻是一種典型具有溫度敏感性的半導(dǎo)體電阻，超過(guò)一定的溫度（居里溫度）時(shí)，它的電阻值隨著溫度的升高呈階躍性的增高。PTC 電阻的出現(xiàn)，主要解決傳統(tǒng)開關(guān)速度不夠快和容量不夠大這兩方面的問(wèn)題，具有較好的恢復(fù)性和可重復(fù)使用的特點(diǎn)。

當(dāng)電路處于正常狀態(tài)時(shí)，通過(guò)過(guò)流保護(hù)用PTC熱敏電阻的電流小于額定電流，過(guò)流保護(hù)用PTC熱敏電阻處于常態(tài)，阻值很小，不會(huì)影響被保護(hù)電路的正常工作。當(dāng)電路出現(xiàn)故障，電流大大超過(guò)額定電流時(shí)， 過(guò)流保護(hù)用PTC熱敏電阻陡然發(fā)熱，呈高阻態(tài)，使電路處于相對(duì)"斷開"狀態(tài)，從而保護(hù)電路不受破壞。當(dāng)故障排除后，過(guò)流保護(hù)用PTC熱敏電阻亦自動(dòng)回復(fù)至低阻態(tài)，電路恢復(fù)正常工作。如下圖6所示為電路正常工作時(shí)的伏-安特性曲線和負(fù)載曲線示意圖，由A點(diǎn)到B點(diǎn)，施加在PTC熱敏電阻上的電壓逐步升高，流過(guò)PTC熱敏電阻的電流也線性增加，表明PTC熱敏電阻的電阻值基本不變， 即保持在低電阻態(tài)；由B點(diǎn)到E點(diǎn)，電壓逐步升高，PTC熱敏電阻由于發(fā)熱而電阻迅速增大，流過(guò)PTC熱敏電阻的電流的也迅速降低，表明PTC熱敏電阻進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)。正常的負(fù)載曲線低于B點(diǎn)，PTC熱敏電阻就不會(huì)進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)。

圖6  伏-安特性曲線和負(fù)載曲線示意圖

4.1.2 TVS二極管

瞬態(tài)抑制二極管（TransientVoltageSuppressor）簡(jiǎn)稱TVS，是一種二極管形式的高效能保護(hù)器件。當(dāng)TVS二極管的兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時(shí)，它能以10的負(fù)12次方秒量級(jí)的速度，將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩梗崭哌_(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個(gè)預(yù)定值，有效地保護(hù)電子線路中的精密元器件，免受各種浪涌脈沖的損壞。由于它具有響應(yīng)時(shí)間快、瞬態(tài)功率大、漏電流低、擊穿電壓偏差、箝位電壓較易控制、無(wú)損壞極限、體積小等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于大功率、超大功率機(jī)載電子設(shè)備的瞬態(tài)電壓防護(hù)電路設(shè)計(jì)。

在規(guī)定的反向應(yīng)用條件下，當(dāng)ＴＶＳ二極管兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時(shí)，內(nèi)部ＰＮ 結(jié)產(chǎn)生雪崩擊穿，它能以１０－１２ｓ量級(jí)的速度，將其工作阻抗由高阻抗變?yōu)榈妥杩梗栽试S大電流通過(guò)，并將電壓鉗位在預(yù)定值，從而有效地保護(hù)后級(jí)電路的元器件免受損壞［４］。當(dāng)瞬態(tài)高能量沖擊電壓結(jié)束后，ＴＶＳ二極管的雪崩擊穿過(guò)程隨之結(jié)束，其工作阻抗回到高阻抗?fàn)顟B(tài)。ＴＶＳ二極管經(jīng)受瞬態(tài)電壓時(shí)的鉗位波形如圖7所示。

圖7  ＴＶＳ二極管經(jīng)受瞬態(tài)電壓時(shí)的鉗位波形圖

本電路主要為了防止電源交流電壓進(jìn)入，所以采用雙向TVS二極管，如圖8所示，特性相當(dāng)于兩個(gè)穩(wěn)壓二極管反向串聯(lián)，可以抑制電路中雙向的沖擊，在電路中連接無(wú)極性方向。

圖8  雙向TVS二極管特性曲線圖

4.1.2 壓敏電阻

壓敏電阻簡(jiǎn)稱 VDR（Voltage-Dependent Resistor），是一種對(duì)電壓敏感的非線性過(guò)電壓保護(hù)半導(dǎo)體元件。壓敏電阻器的結(jié)構(gòu)特性壓敏電阻器與普通電阻器不同，它是根據(jù)半導(dǎo)體材料的非線性特性制成的。

普通電阻器遵守歐姆定律，而壓敏電阻器的電壓與電流則呈特殊的非線性關(guān)系。壓敏電阻被廣泛應(yīng)用在電子線路中，來(lái)防護(hù)因?yàn)殡娏?yīng)系統(tǒng)的暫態(tài)電壓突波所可能對(duì)電路的傷害。當(dāng)高壓來(lái)到時(shí)，壓敏電阻的電阻降低而將電流予以分流，因而保護(hù)了敏感的電子元件。

當(dāng)壓敏電阻器兩端所加電壓低于標(biāo)稱額定電壓值時(shí)，壓敏電阻器的電阻值接近無(wú)窮大，內(nèi)部幾乎無(wú)電流流過(guò)。當(dāng)壓敏電阻器兩端電壓略高于標(biāo)稱額定電壓時(shí)，壓敏電阻器將迅速擊穿導(dǎo)通，并由高阻狀態(tài)變?yōu)榈妥锠顟B(tài)，工作電流也急劇增大，把瞬間高電壓嵌位在安全電壓等級(jí)。瞬間高電壓的能量被壓敏電阻吸收，并且以熱量的形式在壓敏電阻的內(nèi)部均勻地釋放掉，從而達(dá)到保護(hù)脆弱部件的目的。當(dāng)其兩端電壓低于標(biāo)稱額定電壓時(shí)，壓敏電阻器又能恢復(fù)為高阻狀態(tài)。如圖9所示壓敏電阻特性曲線。

圖9  壓敏電阻特性曲線

4.2應(yīng)用電路原理分析

具體PTC轉(zhuǎn)接板電路原理圖如10所示，外線側(cè)第一級(jí)保護(hù)采用性能優(yōu)良的PTC 熱敏電阻作為限流電路，第二級(jí)采用壓敏電阻( MOV) 作為限壓電路, 泄放大部分的電流，內(nèi)線側(cè)采用雙向TVS二級(jí)管作為補(bǔ)充保護(hù), 進(jìn)一步削弱過(guò)電壓波幅值，使外線侵入的過(guò)流過(guò)壓限制在通訊電路所能承受的范圍以內(nèi)。

 電源電壓220V或380V不能確定從A或B端口進(jìn)入，所以在A和B端口均增加PTC電阻，且電路末端采用雙向TVS二極管，可有效阻止強(qiáng)電直接進(jìn)入到后端電路。

具體電路器件選擇要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用電路設(shè)計(jì)，以及器件特性選型。此轉(zhuǎn)接板電路內(nèi)外機(jī)設(shè)計(jì)相同，只是外機(jī)PTC電阻RT1與RT2采用7.5歐，內(nèi)機(jī)采用5歐，主要是天井機(jī)電源是外機(jī)給內(nèi)機(jī)供電，外機(jī)電壓相對(duì)較高。壓敏電阻RV1用于防止浪涌，起到保護(hù)電路的作用，本電路采用壓敏電壓為470K壓敏電阻。雙向TVS二極管TVS1采用型號(hào)為最大反向峰值電壓30.8V，將電壓鉗制在安全電壓以下。

接入轉(zhuǎn)接板前后對(duì)比波形如圖11所示。模擬正常接線測(cè)試傳輸波形，由于是正常接線，電壓傳輸波形不會(huì)受到鉗制，所以接入轉(zhuǎn)接板電壓波形與未接入兩者傳輸波形均相同，正常接線情況下對(duì)信號(hào)無(wú)阻擋。

4.3應(yīng)用電路實(shí)際接錯(cuò)線可靠性模擬驗(yàn)證

模擬售后實(shí)際安裝接線，接入市電后PTC轉(zhuǎn)接板工作狀態(tài)。由于零線不帶電，地線不帶電，接錯(cuò)線將電源電壓接入內(nèi)外機(jī)主板通訊電路，將會(huì)直接導(dǎo)致信號(hào)不能傳輸，不會(huì)對(duì)器件造成損傷，所以此兩種情況可排除。根據(jù)實(shí)際電源火線帶電壓情況，實(shí)際模擬多次提醒電路器件均為燒壞，可靠性優(yōu)良。

圖10  PTC轉(zhuǎn)接板電路原理圖

5   失效整改總結(jié)及意義

在不改變?cè)性O(shè)計(jì)的情況下，通過(guò)增加轉(zhuǎn)接板來(lái)預(yù)防售后接錯(cuò)線，可有效預(yù)防此故障發(fā)生。轉(zhuǎn)接板開發(fā)周期短，且可大面積推廣到其它同類型機(jī)型。本文從天井機(jī)接錯(cuò)線的的失效原因，以及失效機(jī)理、應(yīng)用電路等多方面進(jìn)行分析，提出有效的防錯(cuò)措施，杜絕售后實(shí)際應(yīng)用中的接錯(cuò)線隱患。

分析研究結(jié)果：通過(guò)PTC電阻過(guò)流保護(hù)開關(guān)特性，以及TVS二極管，壓敏電阻的對(duì)電壓的鉗位效應(yīng)組成PTC轉(zhuǎn)接板，可以有效的保護(hù)通訊電路后端器件燒壞。

圖11  接入轉(zhuǎn)接板前后對(duì)比波形圖

參考文獻(xiàn)：

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[3] 石新國(guó). 壓敏電阻在洗衣機(jī)控制板上的應(yīng)用、選型及實(shí)踐 [J]，家電科技, 2013-08-01

（注：本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2020年11月期）