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摘要：讨论家用空调中使用的电子膨胀阀的驱动器件的可靠性设计，主要从驱动元器件选型裕量及驱动的可靠性方面剖析并给出驱动器件选型建议。
关键词：电子膨胀阀；驱动器件；可靠性
引言
电子膨胀阀是用电子电路驱动控制的膨胀阀，它是变频空调中的关键部件。其工作原理是，根据对过热度或进出口空气的温差、回风温度及其设定值等多项参数的检测和数据采集，经过DSP芯片处理后,控制步进电机转子的旋转，通过螺纹的传动，带动阀针作轴向移动，从而调节阀口的通流面积，进而调节制冷剂的流量，最终使空调系统根据负荷的变化达到最佳制冷/制热效果。因此，对驱动电子膨胀阀的电子元器件的可靠性要求非常高。本文给出了一种电子膨胀阀的驱动电子元器件可靠性选型设计思路。
1．通用电子膨胀阀驱动电路的组成及其工作方式
本文中电子膨胀阀的驱动电路主要由主控芯片部分、驱动芯片、电子膨胀阀负载三部分组成；电子膨胀阀的驱动工作方式和步进电机的驱动类似，采用四相八拍的工作方式，其工作时的相序动作说明如下图1所示，四色线为不同的线圈，表中标示“ON”的地方表示该相导通,标示“OFF”的地方表示该相不导通,通过从1～8方向或从8～1方向的顺序切换线圈状态,实现调节电子膨胀阀的开度的目的。
技术参数理论分析如下：
①工作电压范围：10.8V~13.2V；
②每相线圈电阻范围：42.3Ω~49.7Ω；
③如果VCC没有通过12V稳压芯片输出时，则每相可能的最大驱动电流：（13.2V÷42.3Ω）=312.057mA；
④如果VCC没有通过12V稳压块输出时，则每相可能的最小驱动电流：（10.8V÷49.7Ω）=217.304mA；
⑤如果VCC是通过12V稳压模块输出时，则每相可能的最大驱动电流：（12V÷42.3Ω）=283.688mA；
⑥如果VCC是通过12V稳压模块输出时，则每相可能的最小驱动电流为：（10.8V÷49.7Ω）=217.304mA。
2.2实测上述电子膨胀阀驱动电流的等数据如下：
记录实测数据如下：
①电子膨胀阀动作时的工作电压为：12.66V
②每相线圈的最大电流为308mA
③驱动波形的占空比为（100ms/256ms）≈40%
2.3结论：实际测试数据符合前边的电子膨胀阀技术参数理论分析。
3.通用的驱动芯片种类及其技术规格参数分析：
3.1驱动2003芯片技术规格：
驱动芯片2003技术规格理论分析如下：
i）贴片封装2003：
绝对最大电流：500mA/CH（N=1）
推荐最大电流：400mA/CH（N=1）
使用通道数为2时，允许380mA/CH（Ta=25℃）
使用通道数为2时，允许250mA/CH（Ta=85℃）
推荐总耗散功率：P=0.325W；最大总耗散功耗为：P=0.625W
VCE（sat）max=1.6V
ii）DIP封装2003：
绝对最大电流：500mA/CH（N=1）
推荐最大电流：400mA/CH（N=1）
使用通道数为2时，允许400mA/CH（Ta=25℃）
使用通道数为2时，允许400mA/CH（Ta=85℃）
推荐总耗散功率：P=0.76W；最大总耗散功耗为：P=1.47W
VCE（sat）max=1.6V
3.2达林顿晶体管TD62064AFG技术规格：
达林顿晶体管TD62064AFG技术规格理论分析如下：
绝对最大电流：1.5A/CH（N=1）；
推荐最大电流：1.25A/CH（N=1）；
使用通道为2时，允许1.25A/CH（Ta=25℃，占空比40%）；
使用通道为2时，允许900Ma/CH（Ta=85℃，占空比40%）；
推荐允许总耗散功耗：P=0.7W；最大允许功率1.4W。
4. 结合上述电子膨胀阀进行实例驱动芯片选型研究分析
由于电子膨胀阀采用四相八拍的驱动方式，因此，使用一个2003驱动电子膨胀阀时，在同一时刻最多有两个通道工作，取N=2;使用两个2003驱动同一个电子膨胀阀时（步进电机相邻两相分开在2个2003上），N=1；达林顿晶体管TD62064AFG在同一时刻最多有2个通道工作，取N=2；
（1）如果VCC没有通过12V稳压模块输出时，每相可能的最大驱动电流：（13.2V÷42.3Ω）=312.057mA
①2003芯片选型分析：
1）对于贴片2003，理论计算分析：
取N=2时，允许380mA/CH（Ta=25℃）、250mA/CH（Ta=85℃）：Ta=25℃时允许的电流为（380mA×80%）=304 mA <312.057mA，无法满足半导体器件80%的降额使用要求；Ta=85℃时允许的电流为250mA，小于312.057mA，不能用于驱动电子膨胀阀。
N=1时，允许400 mA /CH（Ta=25℃）、380 mA /CH（Ta=85℃），Ta=85℃时允许的电流（380mA×80%）=304 mA <312.057mA，无法满足半导体器件80%的降额使用要求。从驱动电流的角度，此贴片2003不适用于不带稳压块的场合驱动电子膨胀阀。
2)对于DIP封装的2003，理论计算分析：
N=2时，允许400 mA/CH（Ta=25℃）、400mA/CH（Ta=85℃）,80%降额后（400mA×80%）=320mA>312.057mA，满足电流80%的降额要求。从驱动电流的角度，此DIP封装的2003可以用于驱动电子膨胀阀。
3)设2003芯片的饱和导通压降为VCE（sat），理论计算分析驱动芯片耗散功耗：
当N=2时，芯片耗散功率为：P={[13.2V -VCE（sat）] ÷42.3Ω}× VCE（sat）×1.5，耗散功率P在VCE（sat）=0~1.6V范围内线性增大；因此P={[13.2V -VCE（sat）] ÷42.3Ω}×VCE（sat）×1.5={[13.2V -1.6V] ÷42.3Ω}× 1.6V×1.5=0.658156W，大于贴片2003推荐功耗0.325W，小于DIP封装2003的推荐功耗0.76W。
当N=1时，P={[13.2V -VCE（sat）] ÷42.3Ω}× VCE（sat）=0.438771W，大于贴片2003推荐功耗0.325W，小于DIP封装的推荐功耗0.76W。因此从功耗的角度，贴片2003不适用于驱动电子膨胀阀，DIP封装的2003可以用于驱动电子膨胀阀，但N=2时，0.658165W>（0.76W×80%）=0.608W，不满足80%的降额要求，从可靠性角度，不推荐使用。
①达林顿晶体管TD62064AFG选型分析：
1）达林顿晶体管TD62064AFG，理论计算分析：
N=2时，允许1250 mA /CH（Ta=25℃）、900 mA /CH（Ta=85℃）。经过80%降额后Ta=25℃时允许的电流（1250mA×80%）=1000mA>312.057mA；Ta=85℃时允许的电流（900mA×80%）=720mA>312.057mA，从驱动电流角度，在整个温度范围均可满足半导体80%的降额要求，TD62064AFG可以用于驱动电子膨胀阀，选型合理。
2)达林顿管耗散功耗P=1.1V*0.312057A*1.5=0.514894W，小于TD62064A
推荐功耗0.7W。因此从功耗角度，满足推荐功耗的80%降额要求，TD62064AFG可以用于驱动电子膨胀阀，选型合理。
（2）如果VCC是通过12V稳压模块输出时，每相可能最大驱动电流：（12V÷42.3Ω）=283.688mA
2003芯片选型分析：
对于贴片2003，理论计算分析：
N=2时，允许380 mA/CH（Ta=25℃）、250mA/CH（Ta=85℃）。Ta=25℃时允许的电流为（380mA×80%）=304 mA >283.688 mA，可以满足半导体器件80%的降额使用要求；Ta=85℃时允许的电流为250mA<283.688 mA，故贴片封装的2003不能用于驱动电子膨胀阀。
N=1时，允许400 mA /CH（Ta=25℃）、380 mA /CH（Ta=85℃），Ta=85℃时允许的电流为（380mA×80%）=304mA>283.688 mA，满足半导体器件80%的降额使用要求。因此N=1时，贴片2003可以用于带稳压器的场合驱动电子膨胀阀。
对于DIP封装的2003，理论计算分析：
N=2时，允许400 mA /CH（Ta=25℃）、400mA/CH（Ta=85℃）,80%降额后（400mA×80%）=320mA>283.688mA，满足电流80%的降额要求，从驱动电流的角度，DIP封装的2003可以用于驱动电子膨胀阀。
设2003芯片的饱和导通压降为VCE（sat），，理论计算分析驱动芯片耗散功耗：
当N=2时，芯片耗散功率为：P={[12V -VCE（sat）] ÷42.3Ω}× VCE（sat）×1.5，耗散功率P在VCE（sat）=0~1.6V范围内线性增大；因此P={[12V -VCE（sat）] ÷42.3Ω}× VCE（sat）×1.5={[12V -1.6V] ÷42.3Ω}× 1.6V×1.5=0.59W,大于贴片2003推荐功耗0.325W，小于DIP封装2003的推荐功耗0.76W*80%=0.608W。
当N=1时，P={[12V -VCE（sat）] ÷42.3Ω}× VCE（sat）=0.3933W，大于贴片2003推荐功耗0.325W，小于DIP封装的推荐功耗0.76W×80%=0.608W。因此从功耗的角度，贴片2003不适用于驱动电子膨胀阀，DIP封装的2003可以用于驱动电子膨胀阀。
③达林顿晶体管TD62064AFG选型分析：
1)对于1.5A达林顿晶体管TD62064AFG，理论计算分析：
N=2时，允许1250 mA /CH（Ta=25℃）、900 mA /CH（Ta=85℃）。经过80%降额后Ta=25℃时允许的电流（1250mA×80%）=1000mA>283.688mA；Ta=85℃时允许的电流（900mA×80%）=720mA>283.688mA，从驱动电流角度，在整个温度范围均可满足半导体80%的降额要求，TD62064AFG可以用于驱动电子膨胀阀，选型合理。
2)达林顿晶体管芯片耗散功耗P=（1.1V×0.283688A×1.5）=0.468085W，
小于TD62064AFG推荐功耗0.7W。因此从功耗角度，满足推荐功耗的80%降额要求，TD62064AFG可以用于驱动电子膨胀阀，选型合理。
5.注意事项
本文中仅仅列举了一种电子膨胀阀的驱动电路模块框架进行选型设计分析，其他形式的电子膨胀阀驱动电路的驱动芯片选型设计依然要遵循类似本文中的详细设计选型思路，以保证电子膨胀阀的驱动电路的可靠性。
6.结语
（1）驱动芯片的供电电源、同一驱动芯片的不同封装形式、不同的驱动芯片等综合因素都会影响电子膨胀阀驱动电路的可靠性。
（2）当VCC没有通过12V稳压模块输出时，从半导体设计裕量及设计可靠性方面来说，本文中的电子膨胀阀不推荐使用2003芯片（包括贴片封装和插件封装）作为驱动芯片；而使用1.5A达林顿晶体管TD62064AFG是可以驱动本文中的电子膨胀阀，选型是合理的。
（3）当VCC是通过12V稳压模块输出时，从半导体设计裕量及设计可靠性方面来说，本文中的电子膨胀阀不推荐使用贴片封装2003芯片作为驱动芯片；而使用插件式2003芯片或1.5A达林顿晶体管TD62064AFG是可以驱动本文中的电子膨胀阀，选型是合理的。
（4）对于电子膨胀阀的驱动芯片选择，一定要结合实际电路进行严格的选型设计，以确保电子膨胀阀驱动电路的可靠性。
参考文献：
[1]JB/T 10386-2002,家用和类似用途空调电子膨胀阀[S].
[2]Robert Cravotta DSP and uln2003A control step motor [J].EDN 2010（3）：46~48.
论文作者:袁华祥
论文发表刊物:《防护工程》2017年第17期
论文发表时间:2017/11/30
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