摘要

　　提高能效標準和實施更嚴格的環保政策的要求是推動家電行業技術創新的兩大動因，尤其是冰箱，冰柜等制冷系統。家電廠商采用多種不同的技術提高冰箱的能效。

　　本文提出一個能夠節能20%的電子解決方案：利用電子恒溫器對冰箱進行數字溫度控制。本文還介紹了意法半導體最新推出的評估板（STEVAL-IHT001V2）以及配套的PC軟件工具。

　　前言

　　提高能效標準和實施更嚴格的環保政策的要求是家電行業技術創新的兩大動因。

　　在全世界范圍內，這個要求特別適用于冰箱行業，因為工作負荷大，冰箱是用電量最大的家用電器。如圖10所示，在過去的10年來，歐洲制冷市場轉向高能效產品（參考 ［1］和 ［2］）。

　　圖 1 - EU-25 制冷市場份額

　　家電廠商采用多種不同的技術提高冰箱、冰柜等制冷設備的能效；某些方法是提高箱室的保溫能力（即提高保溫層的厚度或采用新型材料），其它方法是設法提高壓縮機和/或應用的能效。

　　在第二種方法中，可采用不同的策略；其中，昂貴的變頻驅動器（VFD）配合3相永磁同步電機（PMSM）是一個很實用的解決方案。

　　本文介紹一個電子恒溫器解決方案，無需改變今天冰箱最常用的電機（單相感應式交流電機），還能節省先進解決方案的能源。

　　本文還將介紹意法半導體為這個解決方案開發的軟硬件評估工具。

　　機電恒溫器

　　冰箱通常使用兩種不同的機電恒溫器。

　　第一種恒溫器（最常用）是內部充滿氣體的毛細管。恒溫管與膜片相連，當箱室溫度升高時，恒溫管內氣體膨脹，推動膜片操作一系列觸點，啟動壓縮機。當然，這類恒溫器的特性（即干預溫度）也會受到外界氣壓變化的影響。

　　第二種機電恒溫器是一個制成線圈狀的又長又薄的金屬條，金屬條由焊接或鉚接在一起的兩種不同金屬材料組成。因為兩種金屬的受熱膨脹性質不同，線圈將會隨著溫度變化而彎曲或伸直，這類恒溫器的特性不會受到外界氣壓變化的影響，但是，測量精度不是很高，而且隨著恒溫器老化，溫度調控會產生變化。

　　此外，基于這兩種機電恒溫器的溫度控制系統無法改變溫度遲滯，即冰箱壓縮機電源通斷之間的溫度差。

　　數字溫度控制系統

　　圖2所示是基于電子恒溫器的數字溫控系統的功能框圖，系統主要組件包括：

　　- 溫度傳感器（經過適當調節），用于提供反饋信號

　　- 可編程微控制器（MCU），用于讀取反饋信號（通過片上模數轉換器外設），處理信息，指揮電子執行器操作

　　- 電子執行器，用于啟動或關閉壓縮機

　　在本例中，溫度傳感器是熱電偶或負溫度系數（NTC）器件。與機電式恒溫器不同，這兩種器件都不接觸活動元件，因此性能更安全可靠。

　　圖 2 – 數字溫控系統

　　因為是連續讀取溫度，而且是微控制器要求的精度，所以系統可以控制溫度，限制箱室內溫度隨時間變化。

　　如在［3］所述，溫度波動降低有三大好處：

　　- 更好地保存食物

　　- 熱動態效率提高（因為蒸發器溫度波動越低，蒸發器最低溫度就越高，壓縮機利用率也就更高）

　　- 壓縮機和蒸發器尺寸縮小

　　［3］還特別例證了用數字溫控系統（見圖2）代替機電恒溫器并正確選擇最優的溫度遲滯后，功耗最大降幅達到20%。

　　此外，可編程微控制器保證的靈活性可為設備增加更多功能，讓家電廠商能夠在相同的硬件環境內輕松實現產品差異化。

　　例如，可以每隔n個熱周期修改溫度遲滯，使蒸發器溫度高于0°C，這可以除去蒸發器上的積冰，進一步提升冰箱能效（因為冰層有隔離作用）。

　　此外，還可以增加很多與溫控沒有直接關系的功能。例如，隨時間變化的溫度趨勢和總能耗可反饋給最終用戶（通過LCD）。用戶界面還可增加開門報警、溫度報警和內部照明燈（燈泡或LED）點亮等功能。

　　意法半導體的系統解決方案

　　在電子恒溫器范圍內，意法半導體開發了一套恒溫器開發工具（訂貨代碼：STEVAL-IHT001V2），這是一個安全可靠且低成本的數字溫控解決方案，利用微控制器和交流開關控制冰箱、冰柜或冰箱冰柜多功能產品的溫度。

　　STEVAL-IHT001V2評估板可控制一個單相感應電機和一支燈泡，還可以選擇控制一個除霜電阻器和一個風扇，適用于 120/240 V RMS 50/60 Hz 交流電源電壓。這塊板子符合電磁兼容標準：在進行IEC61000-4-4標準測試過程中，系統承受高達3.1 kV 的高壓脈沖串而未發生任何異常或失控。測試電壓提高到 5kV時，出現暫時失控現象，干擾停止后，失控現象消失。此外，評估板還經過2 kV浪涌測試（IEC61000-4-5 standard），半導體元器件無任何損壞［4］。

　　圖 3： STEVAL-IHT001V2評估板

　　評估板配有一個叫做“Thermostat kit application GUI”的恒溫器評估板圖形用戶界面（GUI） PC 軟件，用于應用演示和開發目的 （在 www.st.com 下載軟件）。利用 GUI軟件可以配置恒溫器評估板的版本 – 基本版（僅限于壓縮機和燈泡控制）、除霜版（壓縮機、燈泡和除霜電阻控制）、氣流循環版（壓縮機、燈泡、除霜電阻和風扇控制） ，這個不同版本分別定位于低端、中端和高端制冷設備市場。GUI還準許用戶設置和測量主要應用參數。

　　低成本的STM8S003F3P6微控制器負責控制恒溫器，該微控制器屬于STM8S主流系列微控制器，以片上功能豐富且成本低廉為亮點。此外，該產品最大限度地縮減了引腳數量。板上還搭載一顆帶USB接口的微控制器，該微控制器僅用于應用演示目地，通過USB接口在PC機與恒溫器評估板之間通信。

　　如圖3所示，STEVAL-IHT001V2 恒溫器開發板分為兩部分，恒溫器控制器件全都安放在左側（控制側），所有的通信器件都安放在右側（接口側）。

　　控制側的主要元器件：

　　- 低成本電容電源 – 如功率要求較高，可用開關電源（如基于VIPer06的 STEVAL-ISA071V1）替代這部分器件

　　- 控制和執行部分 -STM8S003微控制器、交流開關 （1個ACST610-8FP、1個ACS110-7SN和2個 ACS102-6TA），用于控制壓縮機、除霜電阻、燈泡和風扇

　　- 用戶界面：兩個溫度升降按鍵；5支綠光LED溫度指示器、蜂鳴式開門報警器

　　- 連接器 – 用于連接 NTC和冰箱門開關

　　評估板有兩種工作模式（單機或 GUI驅動），可用一個開關開啟其中一個模式。在單機模式，控制參數（脈沖時序、溫度、冰箱型號）最后裝入GUI。

　　STEVAL-IHT001v2 負載控制

　　所有負載由脈沖柵電流以全周期模式控制， STM8S 微控制器檢測交流主電源的電流上升沿和下降沿，使柵脈沖與交流主電源的電壓同步。

　　圖4： 柵電流脈沖時序定義

　　STEVAL-IHT001V2板載溫度傳感器執行溫度控制。該傳感器是EPCOS研制的一款隔離型2類NTC電阻器，應該放置在冰箱或冰柜的蒸發器上。調溫由一個通斷遲滯控制器負責。如果溫度測量結果高于上限（THIGH_lim），則開啟壓縮機；當低于下限（TLOW_lim）時，則關閉壓縮機（見圖 5）。

　　實現了五個溫度設置點；在每個點可指定一個蒸發器溫度和一個定義前文提到的極限值的溫度遲滯。

　　圖 5： 遲滯原理

　　ACST610-8FP器件用驅動壓縮機。該器件屬于ACS?/ACST系列電源開關，采用A.S.D.? （專用分立器件）技術。 這款高性能開關適用于家電和工業系統，驅動電流高達6A。

　　ACST6系列器件設計用于控制中等功率負載，例如，家電中的交流電機，熱性能在靜態和瞬變（壓縮機電涌電流）時都十分出色。

　　除壓縮機控制外，通過一個板載開關還可以模擬冰箱/冰柜開門操作。根據冰箱門開關所在位置，內部照明燈點亮或熄滅。如果冰箱門開啟時間超分1分鐘，則蜂鳴器報警，同時五個溫度LED指示燈閃爍。

　　燈泡由ACS102-6TA驅動，這是一個高性能的交流開關，能夠控制最高0.2A的負載。

　　第二個 ACS102-6TA用于控制“氣流循環”式冰箱的風扇。風扇只在與壓縮機配合工作時才運轉，當冰箱門打開時，風扇暫時停止運行。

　　除霜電阻（在除霜和氣流循環兩款冰箱內，除霜電阻可控制）由ACS110-7SB2驅動。這是一個高性能開關，能夠控制最高1A的負載。

　　ACS102 和 ACS110 是為低功率負載專門設計的開關，例如，電磁閥、閥門、繼電器、執行器、微電機、泵、風扇和除霜加熱器。還用于其它設備（如洗碗機和洗衣機）。

　　在 STEVAL-IHT001V2評估板上，ACS110開關在GUI軟件定義的“Defrost activation delay” 參數時間之后打開。這個時間與壓縮機ACST ON時間總和比較。當時間總和大于 “Defrost activation delay”時，除霜電阻ACST功能開

　　啟，當蒸發器溫度高于THIGH_lim（圖6）時，開關通電。在PC機軟件定義的“Defrost duration”時間內，開關保持通態。

　　Figure 6： Defrost control

　　恒溫器評估板PC應用軟件

　　這個恒溫器評估板PC應用軟件的開發目的是讓用戶能夠設置某些控制參數，按照不同的冰箱型號 （基本型、除霜型、氣流循環型）配置恒溫器，在測試過程中從嵌入式應用采集數據。用戶還可以選擇用新的控制參數在單機模式下設置STM8S微控制器［5］。

　　GUI有兩個控制選項卡：時序控制選項卡和溫度控制選項卡。

　　在溫度控制選項卡（圖7）內，可以設備以下參數：溫度檔次、每個溫度檔次的蒸發器溫度設置點和溫度遲滯。

　　圖 7： 溫度控制選項卡

　　在時序控制選項卡（圖8）內，用戶可以控制TRIAC管柵電流脈寬、壓縮機和風扇TRIAC管導通延遲、ZVS 延遲（微控制器命令與交流主電源電壓同步）、除霜電阻激活延遲和除霜持續時間。點擊“Set” 或 “Get” 按鈕，即可發送或接收這些參數。

　　圖 8： 時序控制選項卡

　　另一個窗口是調試模式窗口，用于強制交流負載狀態，簡化電路板驗證。其它窗口是數據采集、圖表分析、測量和數據保存窗口。

　　對于查看眾多的嚴格的能效標準和環保政策同時還要考慮成本的設計人員，像TEVAL-IHT0012一樣的評估板太寶貴了。

　　參考文獻

　　［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