運(yùn)算放大器在格力變頻空調(diào)中的典型應(yīng)用分析

運(yùn)算放大器也稱為運(yùn)放，在格力變頻空調(diào)中主要起到對(duì)微弱信號(hào)的放大作用，用于更好地實(shí)現(xiàn)控制與保護(hù)。本文以格力變頻空調(diào)為載體，介紹運(yùn)算放大器的典型應(yīng)用，以便輻射其他變頻空調(diào)品牌的電路設(shè)計(jì)變頻板 檢修等。

0、前言
變頻空調(diào)的普及率越來(lái)越高，尤其是目前生產(chǎn)的家用系列空調(diào)基本上采用變頻控制方式，隨著安裝、使用環(huán)境、器件質(zhì)量等諸多因素的影響下，變頻空調(diào)故障率也相對(duì)較高，尤其是外機(jī)的變頻板。
外機(jī)變頻板驅(qū)動(dòng)負(fù)載較多，如，直流變頻壓縮機(jī)、外風(fēng)機(jī)、電子膨脹閥等，為了實(shí)現(xiàn)良好的控制與保護(hù)，在電路當(dāng)中設(shè)置了由運(yùn)算放大器等組成的控制電路，通過(guò)功能電路的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)壓縮機(jī)相電流檢測(cè)、轉(zhuǎn)子位置信息檢測(cè)等，由于運(yùn)算放大器組成的電路相對(duì)較復(fù)雜，很多空調(diào)維修從業(yè)者對(duì)該電路理解還是有一定困難，筆者通過(guò)對(duì)格力掛式變頻空調(diào)關(guān)于運(yùn)算放大器典型應(yīng)用電路進(jìn)行總結(jié)，以求讀者能快速入門(mén)和提高查排變頻空調(diào)電路故障的能力。
1、運(yùn)算放大器的識(shí)別

運(yùn)算放大器封裝形式有雙列直插(DIP)封裝、單列直插(SIP)封裝、貼片(DMP、SOP、SSOP、MSOP)封裝，如圖1所示;在格力變頻空調(diào)中常用的有雙運(yùn)算放大器和四運(yùn)算放大器，雙運(yùn)算放大器指內(nèi)部含有兩個(gè)運(yùn)算放大器，如圖2所示;四運(yùn)放其內(nèi)部有四個(gè)運(yùn)算放大器，如圖3所示。運(yùn)算放大器工作需要有電源，在變頻空調(diào)中為了優(yōu)化板子設(shè)計(jì)以及降***造成本，一般采用單電源供電，常見(jiàn)有+3.3V、+5V、+15V;運(yùn)算放大器有同相輸入端(+)、反相輸入端( - )和輸出端( out)。

運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路基本框圖如圖4所示。運(yùn)算放大器屬于低功耗器件，由于內(nèi)部采用差分輸入、放大，具有輸入阻抗高，工作電流小等特點(diǎn)，所以有輸入“虛短”和輸出'虛斷'的特性，也就是兩輸入端基本處于等電位的輸入“虛短”狀態(tài)，以及運(yùn)放輸入阻抗高，基本不吃電流，所以輸入與輸出端等同于“虛斷”特性。

2、運(yùn)算放大器在變頻空調(diào)中的常見(jiàn)形式
運(yùn)算放大器在變頻空調(diào)電路中常見(jiàn)有三種應(yīng)用形式，分別為同相放大器、反相放大器、差分放大器。在格力變頻空調(diào)中常用的運(yùn)算放大器型號(hào)有UPC844G、OPA4374、LM2904、TS2274。
例如，OPA4374是內(nèi)含四個(gè)運(yùn)算放大器，其工作電壓?jiǎn)坞娫礊?.3V~5.5V ，帶寬達(dá)到6.5MHz，具有低功耗，性價(jià)比高的特點(diǎn);LM2904內(nèi)含兩個(gè)運(yùn)算放大器，其工作電壓?jiǎn)坞娫礊?V~36V，帶寬1.2MHz;TS2274也是內(nèi)含兩個(gè)運(yùn)算放大器，其工作電壓?jiǎn)坞娫礊?.7V~5.5V，帶寬6.5MHz，主要應(yīng)用在2020年后格力新款變頻空調(diào)中。
2.1同相放大器

由同相端輸入信號(hào)，反相端接反饋網(wǎng)絡(luò)，信號(hào)被放大后從輸出端輸出。如圖5所示，當(dāng)R2=R1//RF時(shí)，其輸出端電壓公式如下:

以LM2904運(yùn)算放大器為例，選擇+15V單電源供電，當(dāng)R2=1.8k，R1=2k，RF=20k，且同相輸入端電壓Ui為0.5V時(shí)，通過(guò)計(jì)算放大后輸出電壓如下(通過(guò)仿真計(jì)算輸出也是5.5V，如圖6所示):

從仿真數(shù)據(jù)可以看出，同相輸入端為0.5V，反相端也為0.5V，而輸出端是5.5V，說(shuō)明該運(yùn)算放大器處于放大狀態(tài)時(shí)，同相與反相輸入端基本同電位，工程中稱為“虛短"狀態(tài)。
如果改變RF或R1阻值就會(huì)改變?cè)撨\(yùn)放的放大倍數(shù)，例如，把RF改為10k，則U。值如下:

如圖7所示，通過(guò)仿真也是輸出3.0V電壓。

2.2反相放大器
由反相端輸入信號(hào)，同相端經(jīng)電阻接地，反相端接反饋網(wǎng)絡(luò)，信號(hào)被放大后從輸出端輸出。如圖8所示，當(dāng)R2=R1//RF時(shí)，其輸出端電壓如下:

以LM2904運(yùn)放為例，單電源+15V供電，各電阻阻值如圖9所示，當(dāng)反相輸入端輸入-0.5V電壓時(shí)，其輸出電壓如下:

通過(guò)仿真計(jì)算也是輸出5.0V。如果改變RF或R1阻值就會(huì)改變放大倍數(shù)與輸出結(jié)果，與同相放大器方法雷同，此處不再舉例推演。
2.3差分放大器
由同相和反相端輸入信號(hào)，反相端接反饋網(wǎng)絡(luò)，信號(hào)被差分放大后從輸出端輸出。如圖10所示，當(dāng)R1=R2，RF=R3時(shí)，其輸出端電壓如下:

同樣以LM2904運(yùn)放為例，單電源+15V供電，各電阻阻值如圖11所示，當(dāng)在同相端輸入1.0V，反向端輸入0.5V時(shí)，輸出端電壓如下:

通過(guò)仿真計(jì)算也是輸出5.0V。如果改變RF或R1阻值就會(huì)改變放大倍數(shù)與輸出結(jié)果，此處也不再舉例，讀者自行分析、計(jì)算。
3、運(yùn)算放大器在格力變頻空調(diào)中的典型應(yīng)用
在格力變頻空調(diào)中，運(yùn)算放大器主要是對(duì)一些微弱信號(hào)進(jìn)行放大處理，這樣易被CPU識(shí)別，以實(shí)現(xiàn)良好的控制與提高其穩(wěn)定性。為了便于分析，筆者對(duì)格力變頻空調(diào)冷靜王II(2代)機(jī)子的相電流、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息電路進(jìn)行繪制，方便讀者學(xué)習(xí)。圖12是基于外機(jī)板上電待機(jī)時(shí)的數(shù)據(jù)(與基于相電流輸出5A時(shí)的數(shù)據(jù)略有不同，如圖12標(biāo)注)。

3.1運(yùn)算放大器在格力變頻空調(diào)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路中的應(yīng)用
(1)電壓跟隨器在格力變頻空調(diào)冷靜王I(2代)中的應(yīng)用
在電路中，通過(guò)三顆0.015Ω無(wú)感水泥電阻(如圖6所示)，采集的壓縮機(jī)相電流得到的電壓比較低，為了提高其穩(wěn)定性，往往采用運(yùn)算放大器做成1:1(電壓跟隨)放大器的方式，如圖13所示。+3.3V通過(guò)R601與R602分壓得到1.65V，送到OPA4374運(yùn)放的同相輸入端( 10腳)，由于運(yùn)放的反相輸入端(9腳)與輸出端(8腳)連接在一起，因此構(gòu)成電壓跟隨器，所以輸出也是1.65V， 通過(guò)這種形式有效提高了輸出帶載能力。

(2)運(yùn)算放大器在格力變頻空調(diào)冷靜王I(2代)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路中的應(yīng)用
外機(jī)板上電處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)，A點(diǎn)接IPM模塊的無(wú)感水泥電阻上端，如圖14、 圖15所示，用于采集相電流波形，獲取壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息等，此處僅列舉其中一路進(jìn)行分析，由于上電后處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)沒(méi)有壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)電流，等同于A點(diǎn)接地，為了方便仿真A點(diǎn)直接接地處理。

電壓跟隨器輸出的1.65V通過(guò)電阻R609接到運(yùn)放OPA4374的同相輸入端(12腳)，該腳的電壓被電阻R609與R604通過(guò)對(duì)1.65V分壓，12腳電壓為:

輸出端經(jīng)反饋電阻R614接到反相輸入端，通過(guò)上面學(xué)習(xí)得知該運(yùn)放處于同相放大狀態(tài)，因此，14腳輸出電壓為此電壓計(jì)算數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)一樣(如圖14所示):

在實(shí)際檢修中，外機(jī)板上電處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)，測(cè)量OPA4374運(yùn)放的14腳如果為1.65V，說(shuō)明位置檢測(cè)電路沒(méi)問(wèn)題，同理，另外兩路輸出端1、7腳也應(yīng)該是1.65V，否則要重點(diǎn)檢查該電路。
如果機(jī)子處于正常運(yùn)行時(shí)，如其運(yùn)行時(shí)IPM 模塊驅(qū)動(dòng)的相電流為5A時(shí)，以A相為例，這樣在IPM模塊A相的無(wú)感水泥電阻R302上產(chǎn)生的壓降為5AX0.015Ω=0.075V，如圖16所示，由于0.075V太小，其相電流波形很難被CPU的12腳捕捉，造成無(wú)法判斷轉(zhuǎn)子位置信息，此時(shí)就會(huì)報(bào)H5或啟動(dòng)異常故障，因此需通過(guò)運(yùn)放OPA4374放大5.5倍后從14腳輸出1.99V電壓，這樣CPU的12腳就容易識(shí)別，提高了控制的可靠性。

3.2運(yùn)算放大器在格力變頻空調(diào)整機(jī)過(guò)流保護(hù)電路中的應(yīng)用
當(dāng)外機(jī)板上電處于“待機(jī)”狀態(tài)時(shí)，流過(guò)直流母線的電流很小幾乎不計(jì)(如圖17、 圖18所示)，此時(shí)“D"點(diǎn)等同于接地， LM2904運(yùn)放同相輸入端電壓來(lái)自3.3V，通過(guò)電阻R525.R217分壓得到，經(jīng)同相放大7倍后輸出3.3V電壓送到外機(jī)CPU的30腳，以判斷是否過(guò)流;流過(guò)母線電流越大，運(yùn)放7腳輸出電壓越低，一旦檢測(cè)到流過(guò)母線電流大于20A時(shí)，即D點(diǎn)電壓為-0.3V時(shí)(如圖19所示，LM2904運(yùn)放7腳輸出低至約1.5V，CPU識(shí)別并控制進(jìn)入過(guò)流保護(hù)狀態(tài)，報(bào)E5故障碼。

4、檢修案例
例1:一臺(tái)格力掛式變頻空調(diào)U雅II上電開(kāi)機(jī)，壓縮機(jī)短暫運(yùn)轉(zhuǎn)振動(dòng)很大，報(bào)H5故障碼。

分析檢修:該外機(jī)板是二修板，前維修師傅已更換了模塊和三路自舉電容，故障依舊，轉(zhuǎn)至我處時(shí)為了安全起見(jiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)電源、IPM模塊、直流外風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊全部測(cè)量檢查無(wú)問(wèn)題后，接檢測(cè)儀上電開(kāi)機(jī)，開(kāi)始?jí)嚎s機(jī)能運(yùn)轉(zhuǎn)但振動(dòng)很大，一會(huì)后停轉(zhuǎn)并報(bào)H5故障(如圖20所示)，其余一切正常。

上電后在待機(jī)下測(cè)量開(kāi)關(guān)電源、三路自舉、模塊電壓正常，測(cè)量模塊的CIN(15腳)為低電平，F(xiàn)O為高電平也正常。測(cè)量運(yùn)放U601 (OPA4374)的1、7、14腳電壓時(shí)，1、7腳電壓為1.65V正常(參考圖14)，而14腳電壓為0.5V，開(kāi)始以為該運(yùn)放外圍的電阻變質(zhì)導(dǎo)致異常，脫焊電阻一端，查遍外圍電阻沒(méi)有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，當(dāng)測(cè)量U601的14腳對(duì)地電阻時(shí)，發(fā)現(xiàn)阻值僅有302左右，明顯有短路現(xiàn)象。更換U601后故障排除，上電后再測(cè)1、7、14腳電壓均為1.65V。從本例可見(jiàn)由于OPA4374內(nèi)部為四個(gè)運(yùn)放，其中之一異常都會(huì)導(dǎo)致故障，因此，在檢修中要注意排查，事倍功半。
例2: 一臺(tái)格力掛式變頻空調(diào)冷靜王II上電開(kāi)機(jī)，壓縮機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)，報(bào)H5故障碼。分析檢修:外機(jī)板已拆，接上檢測(cè)儀開(kāi)機(jī)，直流外風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，壓縮機(jī)無(wú)反應(yīng)，一會(huì)后報(bào)H5，如圖20所示。測(cè)量開(kāi)關(guān)電源各路輸出電壓正常，測(cè)量IPM模塊供電三路自舉電壓、CIN、FO電壓都正常，測(cè)量U601的1、7、14腳電壓為1.65V正常，斷電、放電后測(cè)量模塊6路PWM控制輸入以及U、V、W輸出對(duì)地電阻也正常，維修陷入困境。
突然想到如果CPU采集不到壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息就無(wú)法準(zhǔn)確輸出6路驅(qū)動(dòng)PWM，這樣壓縮機(jī)也不運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)U601的1、7、14至CPU的14、13、12腳的元件、線路檢查，見(jiàn)圖12，發(fā)現(xiàn)R619阻值為3.5MΩ，大于正常的2.2kΩ，由于該電阻問(wèn)題使三路位置信息有一路沒(méi)檢測(cè)到，所以CPU未能發(fā)出6路驅(qū)動(dòng)脈沖，壓縮機(jī)不工作，并報(bào)H5故障碼，將R619更換為2.2k電阻后，故障排除。
5、結(jié)論
運(yùn)算放大器在變頻空調(diào)中應(yīng)用時(shí)，首先，要區(qū)分是同相放大、反相放大還是差分放大，知曉其內(nèi)部基本框架與計(jì)算公式，這樣就算遇到不同品牌的變頻空調(diào)板，涉及到運(yùn)算放大器部分的電路檢修，都能夠進(jìn)行技術(shù)遷移，實(shí)現(xiàn)速查快修;其次，要關(guān)注運(yùn)算放大器本身以及周邊器件，尤其受使用環(huán)境、溫濕度以及年限的影響，貼片電阻阻值異常(阻值變大居多)導(dǎo)致故障是目前常見(jiàn)問(wèn)題;最后，善于使用萬(wàn)用表等開(kāi)展電壓、電阻量測(cè)，通過(guò)關(guān)鍵數(shù)據(jù)快速查排。