模拟输出信号失效分析

邓官珠

摘要：商用空调的压缩机一般使用外置驱动，当将控制器集成在压缩机上，一体化压缩机的导叶开度需要控制器输出的模拟信号来调节，输出的模拟信号精度越高，一体化压缩机导叶开度的准确性就越高。本文阐述一体化压缩机控制器模拟信号输出的原理，详细分析测试过程中遇到的异常问题、整改思路以及解决方案。

关键词：空调；控制器；主板；模拟信号；电路

Abstract: The compressor of commercial air conditioners generally uses an external drive. When the controller is integrated into the compressor, the guide vane opening of the integrated compressor needs the analog signal output by the controller to adjust. The higher the accuracy of the output analog signal, the higher the accuracy of the guide vane opening of the integrated compressor. This paper describes the principle of analog signal output of integrated compressor controller, analyzes in detail the abnormal problems encountered in the testing process, rectification ideas and solutions.

Key words: air conditioning; Controller; Motherboard; Analog signal; Circuit

1引言

某一款空调产品功能测试时，发现控制器模拟信号电路输出电流过大，达到60mA左右，严重超出电路电流输出的范围，导致压缩机的导叶开度异常。同时发现控制器芯片电源上电波形异常，即电源3.3V在上电过程中出现台阶波形(图中黄色)，以及复位波形在同一时刻存在跌落（图1中绿色），依据商用产品的设计要求，机组压缩机的导叶开度需要由控制器模拟电路输出4~20mA信号来控制且控制器电源上电波形应光滑无台阶，无周期性毛刺。

图1 上电复位波形以及3.3V上电波形

2 原理图及初步分析

控制器供电原理图如下：

图2 供电拓扑图

分析控制器电源电路，控制器输入电压为24V，由开关电源芯片转换为5V再转换为3.3V，直接和3.3V电源相连的模块有：485通讯、WIFI模块、AI/DI电路。控制器主芯片电源为3.3V，与主芯片相连的电路都有可能对3.3V电源间接产生影响，需要分别对每个部分的电路均进行排查。复测24V、5V电压的上电波形不存在这种问题，而电源3.3V和上电复位波形同时刻出现异常，推测上电复位波形异常是由3.3V台阶引起的，对3.3V上电异常的原因进行分析。

出现上电波形台阶的可能原因有：

（1）驱动能力不足：在上电过程中，各模块在电压升高时逐个启动，若输入电容容值过大且电源转换芯片的驱动能力不足，可能会导致上电波形产生台阶。

（2）纹波问题：可能是某个电源的纹波干扰较大，影响到上电波形。

（3）电路问题：可能是某模块设计不合理，经电路网络影响上电波形。

将电源3.3V的100μF电解电容替换为47μF电解电容，重测波形发现波形无改善；且5V转3.3V电源转换芯片的最大输出能力≥1.5A，排除电源芯片选型问题导致电源的驱动能力不足。在24V、5V、3.3V各增加100uf电容，测试控制器依旧存在异常波形，排除纹波问题。逐一切断与3.3V电源直接连接的负载，测试3.3V电源的波形，当切断主芯片供电电源时，3.3V上电波形恢复正常，无台阶，因连接主芯片的任何模块都有可能对上电波形产生影响，对每一个功能模块都进行断路验证，找出造成上电波形异常的具体电路。通过断开各个电路和芯片以及3.3V电源的连线，最终得出，当仅断开4-20mA模拟输出电路和芯片PWM引脚之间的连线时，3.3V上电波形恢复正常，因此判断异常问题出现在4-20mA模拟输出电路中。

对4-20mA模拟输出电路进行解剖分析，采用排除方式，将电路中的所有滤波电容和TVS管去除，检验电容是否短路或选型不合理，经验证与电容和TVS管无关。再继续将运放芯片由国产芯片换成相同功能的进口芯片，发现波形无变化，可以排除芯片本身损坏的可能性。当单独去掉模拟输出电路中24V的供电电源时，3.3V波形就恢复正常。回顾故障现象，在产品功能测试时，发现控制器模拟信号电路输出电流达到60mA左右，超出电路电流输出4-20mA的范围，且伴随着3.3V上电有台阶异常的问题。进一步验证实测24V和3.3V同时上电的波形，发现在24V上电的同时3.3V有一个较小的升压台阶。推测24V电源提供给电路的电流过大，耦合到了3.3V电源，使得上电出现台阶。

图3 电源24V（绿色）和3.3V（黄色）上电波形

为了方便进一步验证，在4-20mA模拟输出电路输出端外接精度为1%的150Ω的阻性负载，并对所有器件的电压进行检测，发现MOS管D、S两极间电压，发现只有不到1V的压降，按照4-20mA电路正常工作时MOS管两端的电压应在10V以上。细看MOS管器件的参数以及规格书，发现原理图中MOS管极性与实物的不一致，S极与D极接反了，即MOS管在电路没有起到降压作用，导致分流电阻两端的电压达到15V左右，电流达到60mA左右，以至于24V一通电，通过模拟电路经过主芯片，经过主芯片耦合到3.3V电源上，产生一台阶，等到24V再通过DC-DC芯片转成5V再3.3V时，波形在台阶上恢复正常波形。将PCB板中D、S极性互换，再次测量3.3V上电波形和上电复位波形，均恢复正常。

图4 上电复位波形以及3.3V上电波形

利用Multisim仿真模仿电路发生的异常，发现当将MOS管VDS直接短路时，电流各节点模拟的电压与实际测得的电压相似。

得出结论：3.3V上电波形的台阶是由于MOS管D、S极接反导致电路接近于短路，24V部分电压耦合在3.3V所引起的。

图5 Multisim仿真当MOS短路时各节点电压

对修改后的电路功能进行验证，在输出端外接精度为1%的150Ω的阻性负载的情况，发现电路输出电流与预期不符，芯片控制电路输出的电流最大只有13mA左右，达不到要求的4-20mA输出，通过对比验证发现，此电路中是运用在芯片电压为5V的情况，而本控制器的芯片电源电压为3.3V，因此需要通过修改电路阻值调整放大倍数，使得电路能够满足20mA的输出要求。

图6 模拟输出电路

具体计算：

由运放的虚短原理，计算公式如下：

(V3-V2)÷R4=V2÷R2 （1）

由运放的虚断原理，得V1=V2，即由公式（1）得：

V3=V1×(R2+R4)÷R2（2）

同理，计算公式如下：

(V5-V1)÷R3=(V1-Vin)×R1（3）

由运放的虚断原理，得V4=V5，即由公式（3）得：

V4=V1×(R1+R3)÷R1-Vin×R3÷R1（4）

分流电阻两端的电压，如下：

V3-V4=V1×(R2+R4)÷R2 - V1×(R1+R3)÷R1 + Vin×R3÷R1（5）

要求电路不更改且V3-V4为1V~5V，输出4-20mA电流，可以运用现有的精度较高的电阻修改电路。

即当R1=R2=7.5K，且R3=R4==18.2K精度0.5%，V3-V4= Vin×18.2K÷7.5K=1V~5V，所以PWM脚Vin输出0.412V(占空比12.4875%)~2.0604V(占空比62.43%)，输出电流偏差约±1%；

当R1=R2=7.5K，且R3=R4=12K精度1%，V3-V4= Vin×12K÷7.5K=1V~5V，所以PWM脚Vin输出0.625V(占空比18.393%)~3.125V(占空比94.697%)，输出电流偏差约±1.5%。

	主芯片电压	PWM波 （70%）	V3-V4电压（阻值250Ω）	AO输出电流（mA）	输出端电压并联150Ω（精度1%）
理论	3.3V	2.31V	3.696V	14.784	2.2176V
R3=R4=12K	3.319V	2.312V	3.714V	14.827	2.224V
	主芯片电压	PWM波 （50%）	V3-V4电压（阻值250Ω）	AO输出电流（mA）	输出端电压并联150Ω（精度1%）
理论	3.3V	1.65V	2.64V	10.56	1.584V
R3=R4=12K	3.32V	1.649V	2.642V	10.568	1.583V
理论	3.3V	1.65V	4.004V	16.016	2.4024V
R3=R4=18.2k	3.298V	1.653V	3.97V	15.88	2.378V

表1 实测理论分析表

由此可得出结论将R3、R4替换为12KΩ，R1、R2为7.5KΩ时，电路能够满足输出要求，且输出精度较高。

4 解决措施

（1）PCB方面

修改MOS管PCB、原理图封装，将D极和S极对调，符合规格书要求。

（2）明细方面

调整运放电路电阻阻值，将R3、R4替换为12KΩ，R1、R2换为7.5K

Ω，以此来调整放大倍数，使得4-20mA电路能够匹配主芯片0V-3.3V的

电压范围。

5 结论

本文通过对功能失效的模拟信号输出电路进行分析，明确了它的失效原因以及失效机理，由此了解到在控制器设计中，对于一些像三极管、MOS管等带有极性的元器件需格外留意，核实极性正反以及注意电路电源与负载电路的匹配性。

参考文献：

【1】梁竹关，MOS管集成电路设计，2011,11

【2】邱关源，电路(第5版)，2022,02

【3】胡斌，电子工程师必备：九大系统电路识图宝典，2012,08

【4】胡斌，电子工程师必备：元器件应用宝典（强化版），2012,09