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家用空调器的抗干扰设计 |
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作者：王琴 杨真 |
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本文主要阐述家用空调器如何提高抗干扰能力，优化电磁兼容性设计和验证抗干扰设计。
1 引言
随着科学技术的不断发展，通讯工具、家用电器、电动工具等现代电子设备日益普及，给人们带来便利的同时也加剧了电磁环境的恶化，各种电子设备相互干扰，严重时无法正常运行。处于电磁环境中的家用空调器同样不可避免，因此必须降低自身的电磁敏感性，提高抗干扰能力，保证其正常工作。笔者从事多年的家用空调器新产品开发工作，关于如何提高抗干扰能力，优化电磁兼容性设计和验证抗干扰设计，发表自己的浅见，供大家参考。
2 概述
2.1 电磁兼容性是指设备或系统在电磁环境中正常工作，并不对该环境中的任何事物构成产生不能承受的电磁骚扰的能力。而电磁骚扰是指任何可能引起装置、设备系统性能降低或者对生命、无生命物质产生损坏作用的电磁现象，电磁骚扰可能是电磁噪声、无用信号或传播媒介自身的变化。电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统性能的下降形成了电磁干扰，电磁环境中形成电磁干扰的条件有三个：
2.1.1 向外发射电磁干扰的源——噪声源；
2.1.2 传递电磁干扰的途径——噪声耦合和辐射；
2.1.3 承受电磁干扰的客体——受扰设备。
2.2 要保证家用空调器在特定的电磁环境中免受内外电磁干扰，必须在家用空调器的设计阶段采取有针对性的抑制措施。
2.2.1 抑制噪声源，直接消除干扰因素。
从家用空调器所处的环境，要抑制外部的噪声源不现实，但只有了解噪声源，才能采取有效措施，提高它的抗干扰能力。
噪声源的种类很多，对家用空调器而言，包括内部噪声和外部噪声。内部噪声指控制电路板、电磁四通阀、继电器等自身电器件产生的噪声，例如有：感应噪声、断裂噪声、尖峰噪声、振荡噪声等；外部噪声指从外部侵入到家用空调器的噪声，例如有：空中雷击噪声、开关电路、大功率控制电路在极短时间内产生电压和电流急速变化的场合、高频设备等产生的噪声。而噪声主要通过辐射、沿线传导产生。
2.2.2 消除噪声源和家用空调器的噪声耦合和辐射。
2.2.3 加强家用空调器的抗干扰能力设计，降低电磁敏感性。
以上三点的实现主要是通过优化控制电路板的设计，它是提高家用空调器抗干扰能力的关键所在。
3 控制电路板的硬件设计原则
作为单片机应用系统的控制电路板，它是电源线、信号线和元器件的高度集合体，它们在电气上相互影响，若设计不合理，会导致家用空调器无法正常运行，笔者认为以下方面的优化设计比较有效：
3.1 控制电路板的布线原则
3.1.1 根据电流的大小，尽量加宽导线。
3.1.2 控制电路板的印刷线不能突然转弯，线宽不得突变。
3.1.3 控制电路板的信号线长度尽量短。
3.1.4 为减少各类线间的相互干扰，功率线和交流线要同信号线分开布置，驱动线也要与信号线分开。
3.1.5 相邻控制电路板间不能有过长的平行线。
3.1.6 直流电路布线时尽量采用一点接地，否则会出现闭合的接地环路，当低频或脉冲磁场穿过该闭合环路将产生电磁感应噪声，于是不同接地点间会出现电位差，形成干扰，为实现一点接地可采用放射式接地线路。
3.2 控制电路板的尺寸和元器件布置原则
3.2.1 印刷电路板的尺寸要适中，尺寸过长，导线加长，抗干扰能力下降；尺寸过小，相邻导线和元件间的距离会变小，抗干扰能力下降。
3.2.2 开关元器件和整流元器件尽可能靠近变压器放置，以使其减少导线长度。
3.2.3 布置晶振时应注意：晶振与单片机引脚尽量靠近，用地线把时钟区隔离起来，晶振外壳接地并固定。
3.2.4 控制电路板合理分区，尽可能把干扰源（如继电器）与敏感元件（如单片机）远离。强电元器件和弱电元器件分区布置，并且强、弱电导线的爬电距离大于等于8mm，不同极性强电导线间的爬电距离大于等于4mm，并通过布线和元器件的选用满足布线的距离要求。
3.2.5 控制板的电源进线、单片机的电源引脚（Vcc）到地、单片机的复位端（RESET）到地增加去耦电容，提高控制电路板工作的可靠性。
3.2.6 对于单片机闲置的I/O口，不能悬空，要接地或接电源；其它IC的闲置端在不改变系统逻辑的情况下接地或接电源。
3.2.7 对单片机使用电源监控及看门狗电路，可大幅度提高整个电路的抗干扰性能。
3.3 若家用空调器的室内机和室外机控制电路板均有单片机控制，则室内、外机的连线所传输的信号尽量使用低频，并提高低输电压。必要时，可增加瓷环穿过通讯线（各种不同类型的通讯线，具体由试验状态待定）。
3.4 增强抗干扰电路的设计
随着电子产品的大量广泛使用，各种脉冲性质的电磁干扰、电源干扰成为占据统治地位的干扰，控制电路板的设计应降低各种干扰的敏感性，保护电子线路尽量降低干扰的影响，保证正常工作。
3.4.1 压敏电阻
在电源线（L线、N线）间并接一个压敏电阻，能防止电源电压瞬时过高，损坏或干扰控制电路板运行。压敏电阻对瞬时电压的吸收作用是通过嵌位方式来实现的，当施加在压敏电阻两端的电压低于标准电压时，它的电阻值无穷大，反之则急剧下降，最终体现在对线路有害的能量被其吸收，这部分能量被转化热能，从而保护了控制电路板。
为取得满意的干扰抑制效果，压敏电阻的引线应剪得越短越好，否则吸收能量不干净。压敏电阻中含氧化锌、铋、钴、锰和其它金属氧化物，它吸收的能量额定值取决于电压和电流两方面，与压敏电阻的体积成正比。一般电路中可按使用电压的1.2~1.4倍峰值电压选择标称电压。
实际应用中，压敏电阻的L线上串接一个熔断器，以更有效的保护控制电路板。
3.4.2 继电器是家用空调器常用的电器件，触点断开时产生电弧干扰，触点接通时由于它的弹跳现象形成脉冲干扰，必要时可采用RC吸收电路抑制该干扰。
3.4.3 滤波器
使用滤波器，切断电磁干扰沿信号线或电源线传播的路径，与屏蔽共同完善电磁干扰防护，无论是抑制干扰源、消除耦合或提高接收电路的抗干扰能力，都可以采用滤波技术。滤波器由电阻、电容、电感等电器件组成的选择性网络，作为电路中的传输网络，它可有选择地衰减信号中不需要的频率成分，完成滤波作用。按下图连接，由L、C组成的滤波器既可衰减电源线间的常模噪声，亦可利用电感的高频抑制作用来抑制高频噪声电流。
3.4.4 安全隔离变压器
家用空调器的控制电路板配用的都是安全隔离变压器，它解决了输入和输出的电隔离，从而解决了两者的共地问题，对共模干扰有一定的抑制作用。同时，为抑制电压暂降和短时中断的干扰，建议变压器的设计功率为其满载工作功率的1.25倍以上。
3.4.5 减少电源噪声对单片机的干扰
充分考虑电源对单片机的影响，电源做得好，整个电路的抗干扰问题就解决了一大半。大部分单片机对电源噪声很敏感，给单片机电源加滤波电路和稳压器，可减小电源噪声对单片机的干扰。
建议电源稳压块7805的输入和地之间并接2200uF/35V的电解电容和0.1uF的瓷片电容，输入和地之间并接100uF/16V的电解电容和0.1uF的瓷片电容，该电路设计可减少电源噪声，同时大大提高了抗电压暂降和短时中断的干扰能力。
3.4.6 在数字电路中，开关工作会形成很大的动态电流，在电源线的分布电阻、电感上形成噪声电压，影响电路的正常工作。
以LED动态驱动电路的噪声抑制为例子，若电源供电设计上没有采取足够的抑制措施，则会因其动态电流过大而产生误动作，因此必须串接滤波器切断噪声的传导途径。在电源输入端串入高频扼流圈（10uH）和大容量的滤波电容（1000uF）可消除误动作。
上述论述的只是控制电路板硬件抗干扰的一部分，二极管、光电耦合器等也常用于控制板的抗干扰，同时元件的优化选用也很重要。
4 控制板的软件设计原则
控制电路板在噪声环境下运行时，大量的干扰一般不会损坏硬件系统，却会使软件系统无法正常工作，所以软件的优化设计也是十分重要。
噪声输入、外部输入设备的缺陷（如接触不良或绝缘不良）等都可导致错误信息输入单片机，须运用相应的软件手段给以消除，下面几种基本方法可优化抗干扰的设计。
4.1 多读入法
单片机在接收到第一个输入信号时，并不承认它为有效信号，而以一定的时间间隔连续读入2-3次同样有效的输入信号才确定该信号为有效信号，这种读入指令重复和数据重发的主要方法是采用循环程序，使当前指令重复执行若干次。因脉冲干扰等引起的瞬时脉冲性故障经一段时间后消失，采用多读入法这样避免了干扰输入。有资料介绍，指令重复和数据和重要可排除70-80%的瞬时错误，直到读入正确数据后再执行下面的程序。
4.2 数字量数字鉴别法
对于数字量输入应鉴别其真伪，方法是对接收数字量信号的输入接口按规定的时间间隔进行多次采样，然后按位逻辑并乘进行比较，比较结果一致时为真输入，否则为伪输入。
4.3 数字量输入的封锁法
封锁法可排除某些机械上产生的干扰，在容易产生干扰信号的时间内封锁程序，停止信号的采集；而当产生干扰信号的时间已过，再开始进行信号的采集。
软件上抑制干扰的措施很多，如中值和限幅双重滤波法等。随着家用空调器市场的竞争进一步加剧，提高家用空调器的性价比，降低设计成本，成为其设计的主要指导思路，所以软件抗干扰措施在家用空调器的电磁兼容性领域所占的比例越来越大。
5 试验验证
控制电路板的抗干扰设计能力如何，必须经过试验验证，通过以下项目的试验可验证控制电路板的抗干扰能力。根据笔者的经验，若控制电路板通过了以下项目试验，从电控设计方面可保证家用空调器的正常运行。
5.1 电快速瞬变脉冲群
电快速瞬变脉冲群抗干扰试验根据国家标准GB/T17626.4和以下要求进行。设置脉冲重复频率为 2.5kHz，分别在电压极性正、负两种情况下，从相、中、地三相分别注入脉冲，并调节注入脉冲电压连续升高1800V，持续2min，控制电路板能正常工作，并满足性能判据B。（性能叛据的具体要求，本章节末有具体的备注说明，后不重述。）
5.2 浪涌
浪涌抗干扰试验根据国家标准GB/T17626.5和表1中的要求进行，试验时控制电路板能正常工作，并满足性能判据A。表1 交流电源输入端口
 依次施加5次正脉冲和5次负脉冲；
——相线之间：2kV；
——相线与零线之间：4kV；
——相线与保护地线之间：4kV；
——中线与保护地线之间：4kV；
5.3 电压暂降和短时中断
电压暂降和短时中断抗干扰试验按国家标准GB/T17626.11和表2中的要求进行，试验时控制电路板正常工作，并满足相关性能判据。表2 交流电源输入端口
 性能判据A：在试验过程中控制电路板能连续正常运行，不能出现任何运行性能降低现象，如显示指示灯（显示屏）闪亮等。
性能判据B：在试验过程中控制电路板能正常运行，但是允许出现轻微运行性能降低现象，如显示指示灯（显示屏）闪亮、出现某几次不能接收遥控器的发射码等。
性能判据C：试验过程中控制电路板出现关机现象，但是可自动复位正常运行或通过遥控器、控制电路板自动运行按键的操作恢复正常运行。
6 结束语
综上所述，抗干扰的方法多种多样，家用空调器的抗干扰技术在不断进步和完善，我们应密切注意国际电磁兼容技术的最新动态，并进一步加强抗干扰技术领域研究与发展。
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(8/7/2008) |
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