天井机空调接错线的失效分析与研究

  作者：王少辉 项永金 张秀凤 [格力电器（合肥）有限公司，安徽合肥，230088]

  ：我司生产天井机空调在实际应用中出现大量主板烧坏故障，经过数据统计分析及实际主板失效分析确定是空调安装时内外机连接线接错导致。本文结合空调售后接线过程防错情况，以及内外机通讯原理做多元化的分析，对产品设计优化更改。在空调内外机接线通讯口增加PTC转接板，主要是应用压敏电阻、PTC电阻，TVS双向二极管的器件特性，有效隔绝阻断强电立即进入后端弱电器件，从而杜绝空调在售后实际安装使用的过程中因接错线导致主板烧坏失效，从空调设计进行更改提高空调整机在售后安装连接的安全可靠性。

  天井机空调，又称天花机或者吸顶式、嵌入式空调，和柜式的挂机差不多。但其功率较大，主机厚度薄，安装于天花板上，能节约出大量空间，且比较美观。其出风模式是垂直下来，可以到达空间内每个角落，人体感觉较舒适。天井机空调近几年在市场需求较广，由于不占室内空间，且制冷量较大，被大量应用于客厅、办公室、商场门店等大型场所。

  由于天井机的适用场合较广，所以其内外机之间连接距离较远，均为售后直接安装配线，我司空调在售后安装接线过程中出现内外机主板通讯电路烧毁故障，烧毁失效后内外机控制器无法有效连接通讯，导致空调整机无法工作。经综合分析为通讯线接错线导致电源交流电立即进入通讯端口，瞬间浪涌使通讯电路器件烧坏。因此研究售后安装接错线的失效模式、失效机理很重要。采取比较有效的可靠性方案解决售后接线防错问题，提升售后安装接线的整体工作的可靠性。

  图1 通讯线接错线 事件背景天井机空调在售后实际在做的工作故障失效突出，统计售后使用时间均为装机就出现失效。对故障件做复核分析，均为内外机主板通讯电路器件短路烧毁，经过多年的跟踪空调实际应用维修数据分析，已极度影响空调售后故障率，且在售后安装过程中有重大的安全隐患。

  2 接错线烧主板的失效原因受使用场所影响，内外机之间互联通讯线均比较长，我司采用的是串口通讯方式，主要运用其信号传输距离较长的特点。此天井机接错线时有发生，均为售前机。此类故障容易判断，如下图1所示，故障板通讯电路有P板印制线烧断，大量器件烧毁，故障较明显。此内外机通讯电路实际采用24V直流电进行信号传输，售后安装过程中直接引发将电源电压交流220V，甚至动力电源380V直接接入到内机或外机主板通讯端口。因通讯端口器件主要为半导体器件，以及贴片电阻、电容等器件，均被使用在低电压弱电直流电源电路中，耐压相对均较低，所以瞬间的强脉冲浪涌电压就直接引发主板通讯口烧坏，甚至电源器件短路、主芯片也被烧坏，空调不能正常使用。

  针对强电接到通讯端口问题已在通讯接口增加警示标示“禁止通强电”来提醒售后安装工，如下图2所示，实际售后接线安装并没有有效杜绝，作用不大，只能起到提醒作用。由于内外机安装连接线比较长，存在较多重新加长线情况，所以凭肉眼观察与经验是无法有效完全有效保证不接错线 天井机主板通讯电路

  电路使用的是串行单路通信方式，电路如下图3所示，其波形采用方波形式传输，采用高低电平0、1对信号进行传输，传输电压为直流24V，峰值电压30V。我国市电电压为交流220V，动力电源为380V，售后在接线时将电源电压接入内外机通讯端口，瞬间浪涌电压导致主板烧坏。

  后，完全可杜绝接错线导致后端电子器件的烧毁。一般的情况下，电路器件对电压信号不起作用，当前端接入电压超过通讯口峰值电压时，保护电路就起作用，将电路钳位在安全电压范围以内，阻断强电流或强电压进入后端电路器件。

  PTC 热敏电阻是一种典型具有温度敏感性的半导体电阻，超过一定的温度（居里温度）时，它的电阻值随着温度的升高呈阶跃性的增高。PTC 电阻的出现，主要解决传统开关速度不够快和容量不够大这两方面的问题，具有较好的恢复性和可重复使用的特点。当电路处于正常状态时，通过过流保护用PTC热敏电阻的电流小于额定电流，过流保护用PTC热敏电阻处于常态，阻值很小，不可能影响被保护电路的正常工作。当电路发生故障，电流大大超过额定电流时，过流保护用PTC热敏电阻陡然发热，呈高阻态，使电路处于相对断开状态，从而保护电路不受破坏。当故障排除后，过流保护用PTC热敏电阻亦自动回复至低阻态，电路回到正常状态工作。如下图6所示为电路正常工作时的伏-安特性曲线和负载曲线示意图，由A点到B点，施加在PTC热敏电阻上的电压逐步升高，流过PTC热敏电阻的电流也线性增加，表明PTC热敏电阻的电阻值基本不变，即保持在低电阻态；由B点到E点，电压逐步升高，PTC热敏电阻由于发热而电阻迅速增大，流过PTC热敏电阻的电流的也迅速降低，表明PTC热敏电阻进入保护状态。正常的负载曲线低于B点，PTC热敏电阻就不会进入保护状态。

  瞬态抑制二极管（TransientVoltageSuppressor）简称TVS，是一种二极管形式的高效能保护器件。当TVS二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能以10的负12次方秒量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，有效地保护电子线路中的精密元器件，免受各种浪涌脉冲的损坏。由于它具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差、箝位电压较易控制、无损坏极限、体积小等优点，被大范围的应用于大功率、超大功率机载电子设备的瞬态电压防护电路设计。

  在规定的反向应用条件下，当ＴＶＳ二极管两极受到反向瞬态高能量冲击时，内部ＰＮ 结产生雪崩击穿，它能以１０－１２ｓ量级的速度，将其工作阻抗由高阻抗变为低阻抗，以允许大电流通过，并将电压钳位在预定值，从而有效地保护后级电路的元器件免受损坏［４］。当瞬态高能量冲击电压结束后，ＴＶＳ二极管的雪崩击穿过程随之结束，其工作阻抗回到高阻抗状态。ＴＶＳ二极管经受瞬态电压时的钳位波形如图7所示。

  本电路主要为避免电源交流电压进入，所以采用双向TVS二极管，如图8所示，特性相当于两个稳压二极管反向串联，能抑制电路中双向的冲击，在电路中连接无极性方向。

  压敏电阻简称 VDR（Voltage-Dependent Resistor），是一种对电压敏感的非线性过电压保护半导体元件。压敏电阻器的结构特性压敏电阻器与普通电阻器不同，它是根据半导体材料的非线性特性制成的。

  当压敏电阻器两端所加电压低于标称标称电压值时，压敏电阻器的电阻值接近无穷大，内部几乎无电流流过。当压敏电阻器两端电压略高于标称标称电压时，压敏电阻器将迅速击穿导通，并由高阻状态变为低阻状态，工作电流也急剧增大，把瞬间高电压嵌位在安全电压等级。瞬间高电压的能量被压敏电阻吸收，并且以热量的形式在压敏电阻的内部均匀地释放掉，进而达到保护脆弱部件的目的。当其两端电压低于标称标称电压时，压敏电阻器又能恢复为高阻状态。如图9所示压敏电阻特性曲线 压敏电阻特性曲线应用电路原理分析

  电源电压220V或380V不能确定从A或B端口进入，所以在A和B端口均增加PTC电阻，且电路末端采用双向TVS二极管，可有效阻止强电立即进入到后端电路。

  具体电路器件选择要结合实际应用电路设计，以及器件特性选型。此转接板电路内外机设计相同，只是外机PTC电阻RT1与RT2采用7.5欧，内机采用5欧，主要是天井机电源是外机给内机供电，外机电压相比来说较高。压敏电阻RV1用于防止浪涌，起到保护电路的作用，本电路采取压敏电压为470K压敏电阻。双向TVS二极管TVS1采用型号为最大反向峰值电压30.8V，将电压钳制在安全电压以下。接入转接板前后对比波形如图11所示。模拟正常接线测试传输波形，由于是正常接线，电压传输波形不会受到钳制，所以接入转接板电压波形与未接入两者传输波形均相同，正常接线情况下对信号无阻挡。

  工作状态。由于零线不带电，地线不带电，接错线将电源电压接入内外机主板通讯电路，将会直接引发信号不能传输，不会对器件造成损伤，所以此两种情况可排除。结合实际电源火线带电压情况，实际模拟多次提醒电路器件均为烧坏，可靠性优良。

  分析研究结果：通过PTC电阻过流保护开关特性，以及TVS二极管，压敏电阻的对电压的钳位效应组成PTC转接板，可以轻松又有效的保护通讯电路后端器件烧坏。

  [1] 高海林 .高分子PTC电阻限流特性建模与实验研究[J]，船电技术，2017-02-15