空调电源插头中AFCI技术应用

作者：德州仪器半导体技术(上海)有限公司 颜培荣

欢迎访问e展厅 展厅 3 空调/风扇/热水器展厅 空调, 风扇, 电热器, 空气净化器, 加湿器, ... 错误电弧断路保护技术（AFCI技术）在家用空调电源插头上的应用是十分重要和必须的。自2004年8月1日以后，在美国市场销售的家用空调要求必须带具有AFCI功能的电源插头。不正确的空调电源插头保护技术的应用，将会直接损害消费者及空调生产厂商的利益，并影响到防火的安全。美国德州仪器公司目前已经开发出了带有Arc ShieldTM 技术的空调电源插头。本文将介绍AFCI技术的基本内容，并重点介绍AFCI技术在家用空调电源插头上的应用。 AFCI技术 AFCI技术是一项最新的电路保护技术，其主要作用是为了防止一些由错误电弧而引起的火灾。这些危险的电弧可能发生在家庭用的布线上、插头和插座连接时、以及家用电器内部的线束上或电器的电源线上等。引发错误电弧主要原因是电线绝缘层的磨损或不良的电气连接。美国消费品安全协会（CPSC）和美国国家消防协会的众多资料显示，由电弧导致的危险事件包括了火灾以及由此引起的死亡。 AFCI技术可以感应到由错误电弧引起的电流中不正常的现象。 由于许多正常工作中的瞬时现象或在实际运行过程中都会产生一些“好的”电弧 ( 如：触头连续性的断开和闭合，或马达起动瞬间)，因此，AFCI技术必需能够区别“好的”电弧和“坏的”电弧, 这样才不会导致失误或误动作。有时许多负载运行时的电流信号也很容易被误认为是错误电弧，事实上它们是正常的电流波行（如调光器开关）。 因此，除了能分辨出“好的”电弧和“坏的”电弧外，AFCI 技术还需要能够在正常和非正常情况下迅速、有效地提供保护，同时防止误动作的发生。以下列举了此项技术的关键要点。 UL1699标准 AFCI技术在家电领域的应用是由UL1699标准来规范的，该标准发展于上世纪90年代, 用以识别由过电流产生的电弧而造成的家庭火灾。传统的断路器可以对过电流提供保护, 然而研究发现在没有过电流发生的情况下，由小电流引起的错误电弧也有足够的能量引发打火，从而引起火灾。 UL1699标准最初是用于规范AFCI技术在家用断路器、 墙式安装插座、以及便携式AFCI插座的应用。关于断路器的规范可分为两部分：针对支路分配的基本要求和针对组合器件的严格要求。现在许多最早符合UL1699标准的家用断路器已不能满足现今的标准，这是因为早先的技术已不能满足越来越严格UL1699标准的要求，尤其对各种不同的负载所产生的非错误电弧不能有误动作这一点有更严格的要求。 UL1699标准的规范可分成三种电弧测试方式：电弧检验测试、误动作测试和负载起动测试。最初UL1699标准起草时，重点是防止普通负载(如电机、灯、电子控制系统等)在非错误电弧发生时的误动作。如今随着AFCI技术强制在家用空调电源插头上的应用，使得AFCI技术既要能符合UL1699标准的安全规范，同时又要能满足空调运行条件的要求（我们称之为产品适用性），然而，目前UL1699对于产品适用性这一点并无要求，但在产品实际使用中这点却非常重要。 此外，目前一些已出现的新型负载和操作条件发现并未列入UL1699标准内，如电源线连接装置、风扇速度控制器和其他一些应用。这也对AFCI技术在适用性方面提出更高的要求。 AFCI技术的应用 AFCI技术在家用空调电源插头上的应用要考虑三个设计层面。 首先要符合UL1699标准。 然而仅仅达到UL1699的要求是不够的。如果产品在应用条件下所涉及的误动作或表现出的非期望特性，我们就不能依赖UL1699标准来衡量。美国德州仪器公司的应用和技术经验指出满足“产品适用性”要求, 对许多应用来说是非常重要的，特别是对AFCI技术用于家用空调领域尤其如此。 其次，UL标准只是安全标准并不能覆盖所有方面，所以一个带有AFCI保护的电源插头产品的设计者需要确定他的设计要满足家电产品的“适用性”。这不仅包括针对具体使用AFCI插头的家用电器进行测试，而且还要包括AFCI产品实际与家用电器连接后使用时的测试。 最后，从一个好的设计的实用角度来看 带有AFCI功能的电源插头既要能满足并超越UL1699的标准，而且在实际的应用过程中还要满足“适用性”测试，这样的产品才能给用户带来即安全又可靠的地保证。 AFCI技术的设计者如何才能完成这些要求呢? 对家用空调的电源插头来说，符合UL1699的标准是必须的。我们可以发现有许多有关电弧检测方面的专利，实际上电弧检测是非常容易的工作，但真正的挑战是如何能区分“好的”和“坏的”电弧，并且不发生误动作。理想情况下，AFCI算法的灵敏度不仅可以通过UL1699标准的基本要求，而且还要有足够的能力对不安全电弧提供最快速的检测。由于对不同电弧的感应能力和有害电弧的辨别能力的严格要求，目前，许多AFCI技术只是仅仅部分满足UL1699标准的要求。虽然一些AFCI技术能够通过UL1699标准，但在实际应用过程中，对于不同电弧的检测可能会表现不够稳定或不能对有害电弧提供最快速的检测，显得很“脆弱”。 因此，带有AFCI功能的电源插头，除了能满足UL1699标准外，还要能适用于不同的家用空调和空调制造商的设计，这是一个非常严峻的挑战，它超越了UL1699标准，但在实际的使用中却又非常重要。AFCI 电源插头的设计者不仅要对家用电器的工作原理和条件非常熟悉，而且他们还必须考虑不同电器制造商的众多型号和规格。首先, 一个 AFCI 电源插头的设计者必须要参照UL1699标准，决定采取什么样的测试项目来替代空调器的负载上。请记住，标准的UL1699 测试项目与家用空调是没有任何关系的，即使NEC标准要求所有的家用空调制造商在2004年8月1日后对其生产的空调电源插头部分要带有AFCI保护（参考UL484标准）。要完成此任务，逻辑上要使用一些标准负载代替家用空调来做UL1699的测试。例如：美国德州仪器公司针对空调器重新采用了不同的UL1699测试项目，用于替代家用空调的特定负载上(例如吸尘器等)。由于不同的空调的信号参数变化非常大，美国德州仪器公司针对不同制造商生产的不同规格的空调来做测试，其电流范围包括15A～35A＠115VAC／240VAC, 制冷量包括6000BTU～14500BTU。 此外, 美国德州仪器公司已经和众多空调制造商一起工作，来理解任何可能会影响AFCI电源插头性能的情况。通过这种合作，我们了解到，当转换空调机械控制开关的位置时所产生的电弧（“好的”电弧），会引起一些AFCI装置的误动作，使其切断电源自动关闭空调。这是因为每一次开关变换位置时，会产生一系列触头断开和闭合的动作，由此而产生了电弧(“好的”电弧)。空调功率的大小直接与在控制开关转动时AFCI插头如何判断而不产生误动作有关。我们发现，即使是小功率的空调，当快速的旋转转速控制开关时( 正如夏天当你进入一个温度高的房间会将空调开到最大) ，会使得其他一些AFCI产品产生误动作。这也就很容易使得空调使用者误认为空调有问题而要求返修或退货。 我们也从一些空调制造商那里了解到，许多在空调内产生的电弧(并导致火灾)是与空调内的接线有关。UL484中所提供的技术，目前还不能对这种出现在空调内的电弧提供保护，他们只是提供电器线束的集成保护；而AFCI技术却能提供这种电弧保护。美国德州仪器公司所开发的Arc ShieldTM算法，可以很好地对空调内的接线处产生的电弧进行保护。 在AFCI开发过程中，另外的要求是来自于抗电磁干扰（EMI）的能力，如在许多家庭中，一些电源通信设备可能引发的电磁干扰等。为了消除这些顾虑，美国德州仪器公司所开发的Arc ShieldTM算法是不会受电磁干扰或其他类似的信号影响的。 可靠性的设计还应该考虑AFCI的性能和电源插头的电子机械属性上。美国德州仪器公司开发的Arc ShieldTM算法，能够满足AFCI技术的所有测试要求，包括 ：电弧的检测、UL1699标准规定以外的对误动作的抗干扰能力、以及对可能加入UL1699标准新版本的新型负载的兼容性。 例如，美国德州仪器公司开发的Arc ShieldTM 电源插头可以检测到类似0.5A的那样小的电弧。此外，AFCI技术还能确保对于两种不同的新型风扇速度控制器负载不发生误动作，而当前的一些家用AFCI断路器对于这些负载已发现有误动作现象。预计在新版的UL1699标准里会要求AFCI装置在此类负载下不能有误动作。正是因为美国德州仪器公司对技术、应用、标准等方面的系统研究，使得我们的AFCI算法更可靠、更实用。 另外，电源插头的电子机械属性方面也应该做得更可靠。为此，我们需要特别关注一下AFCI电源插头的机械触头系统（脱扣装置的一部分）。不良的机械触头系统会导致电源插头的故障，特别是在要求插头重复分断大电流的点接触测试（切断电源线测试）和相似的电弧测试时，机械触头系统的性能要被充分地考虑进去。如果机械触头系统设计不好的话，这些大电流可能会导致触头粘住、腐蚀，甚至出现严重的事故。 最后，电源插头需要带有一个指示灯。否则，就不可能知道插头是否已经动作。这是一个必须的功能，否则，空调使用者就无法知道他的空调是否在工作。 如此，美国德州仪器公司所开发的AFCI技术是一个非常完善的设计，我们采用了许多测试方法来确保AFCI的算法能可靠地检测电弧和防止误动作，并针对空调技术及其应用要求，采用了部分超越UL1699标准的测试手段来确保产品的“适用性”。此外，我们还充分考虑到了产品电子机械属性及产品外形的美观性等要求，确保提供即符合保护功能，又符合应用要求的可靠产品。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (11/5/2004)