高通讯速率共零线电流环技术研究

徐尤洪，单联瑜，吴俊鸿

（小米科技（武汉）有限公司，湖北武汉，430075）

1 引言

随着物联网、大数据、互联网的快速发展，越来越多智能家居开始走进用户家中。［1，2］因空调功能的增加和技术的升级会带来软件的迭代［3］，如果升级时间过长将影响用户的使用体验。经典的共零线电流环通讯电路通讯速率低，OTA升级时间长用户体验差,另外受限空调售后安装师傅水平参差不齐，经常会出现线路接错造成烧毁通讯电路器件的问题，增加很多售后成本。因此设计高速可靠的通讯电路是需要硬件工程师解决的一个重点和难点问题，这也是空调发展道路上必须要解决的问题。

2 传统火零线通讯分析

2.1 OTA升级时间

OTA即空中下载，是一种利用移动通讯或WIFE接口对移动数据进行管理的技术。［4］早期被广泛应用在手机行业中，终结了手机软件升级需要连接电脑下载软件再安装更新的繁复操作。随着物联网大数据的发展智能家居开始普及，空调行业也开始使用OTA技术升级，通过远程升级可以持续的改善产品的功能和服务，可快速修复漏洞，让家电更智能化同时提升用户的使用体验。OTA升级过程主要包括两个部分，分别是云端和客户端。首先云端通过app向客户发送升级消息和软件升级包，第一部分花费时间主要取决安装包的大小和用户家中的网络情况。第二部分客户端部分，客户端的控制器分为空调内机的主控制器和外机的从控制器。云端的安装包先由主控制器接收，当接收到安装包后主控制器向从控制器发送升级命令，当主控制器接收从控制器升级准备完成的信号后，开始向从控制器发送升级包。整个数据接收和升级过程同步进行，此部分升级时间主要由主控制器向从控制器发送数据的速度决定，不考虑用户家中网络情况下整个升级过程客户端部分用时最长，本文仅研究提升客户端部分控制器升级时间。

2.2 传统空调通讯原理分析

分体变频空调的室内机与室外机通讯普遍采用经典的共零线电流环通讯，通过电流传递室内外通讯信号，类似工业领域通过电流传递控制信号，可靠性高；且通讯电路只需增加一根通讯线，性价比高。［5］空调器的电流环通讯电路如下图所示，分割线左边为室内侧通讯电路，分割线右边为空调室外通讯电路。回路电流大小由通讯电源电压和限流电阻R2和 R3决定。

如果通讯电路中电流太小，会导致光耦无法正常工作，出现通讯保护，从而导致通讯数据丢帧率上升，甚至完全无法通讯，当通讯电路中电流过大会导致通讯波形差。因此通讯电路分压电阻要根据电流环设计的电流大小进行选取。［6］

如图1，TXD和RXD分别表示通讯的发送信号和接收信号。当室内处于发送信号室外接收信号状态时，室外接收端和室外发送端置高电平，当室内发送高电平“1”时光耦IC1导通，同时室外通讯电路中的光耦IC4导通，室外发送端接收到高电平“1”。当室内发送低电平“0”时光耦IC1不导通，电流环未导通，室外接收端IC3未导通接收到低电平“0”。室外发送信号室内接收信号时原理相同。

图1 共零线电流环通讯电路

传统的空调通讯电路中使用PC-851型号的光耦，空调通讯电路稳压电源电压值为24 V，两颗限流电阻值均为2 kΩ，CTR值200 %～400 %，在30 ℃室温条件下测试芯片信号发射端TXD，接收端RXD对地信号波形，通道1为RXD波形、通道4为TXD波形。

如图2所示，通道1RXD波形上升延迟时间tr为110 us，下降延迟时间tf为278 us，总延迟时间t=(tr+tf)=110 us+278us=388us。根据规定通讯分位规则一个1bit分为8位，即脉宽时间除以8，以高电平为例，如果出现5次高电平，则确认为高电平，同理出现5次为低电平，则确认为低电平。不考虑CPU因晶振等造成的误差要求信号接收误差小于1/3bit。通讯波特率2400 bps一个单字节脉宽时间为416 us，传统通讯电路实测通讯延迟时间为388us>138us(416 us/3)所以无法保证2400bps的通讯速率条件下正常通讯，只能实现600 bps通讯速率。空调外机升级时主电控芯片对从电控芯片发送的升级包固定大小在110 KB左右，升级时间T1=(110*1024*8/(60*600))min=25min，在升级过程中空调功能不能使用，这个升级时间是不能被用户所接受的，为了解决上述问题我们提出了高速通讯电路的技术方案。

图2 传统通讯电路通讯波形

3 高通讯速率共零线电流环技术原理

为了解决空调内外机通讯速率低并且通讯可靠性不高的问题，提出了更改通讯电路结构，增加保护电路的方式来优化电路的解决方案，从而有效提高通讯速率，并保证通讯电路速率提高的同时提高电路安全性和可靠性。

影响内外机通讯速率的主要因素是光耦的开通延时时间和关断延时时间，如上图3所示将PC-851型号光耦替换成延时时间更短的LTV-817型号光耦，这样可有效缩短通讯延迟时间提高通讯速率。在通讯电路信号发射端经常会出现一些干扰导致出现高压从而损坏光耦的情况，因此在光耦两端增加过压保护电路，此处保护电路采取在光耦两端并联一个36 V的稳压二极管，当光耦两端出现高电压时稳压二极管导通防止光耦烧毁，另外为了防止外机L线和S线反接烧毁电路使用热敏电阻作为限流电阻。外机L线和S线接反时交流电220 V半波的产生电流通过D4，PTC2，IC3，DZ4形成电流回路，稳压管DZ2，DZ3稳压值均为12V，DZ4为36V稳压，限流电阻PTC1和PTC2均为2 kΩ。接错线时外机限流电阻功率计算如下：

图3 高速通讯速率共零线电流环电路原理图

接错线时N和L电压施加在HCPL-817上的电压大小为:

U1—稳压电源电压

U2—稳压二极管稳压电压

HCPL-817光耦耐压值80 V，若无保护直接烧坏，将电阻替换成热敏电阻后，电压基本施加在外机通讯电路热敏电阻PTC2（3W/2K）上。

P1=（86.3V×86.3V）/2kΩ=3.7W>3W（通讯电路中分压电阻功率为3W）

U3—加在光耦上的有效电压

U4—二极管导通压降

P1—L和S反接时加在外机限流电阻上的功率

若是普通电阻反接会使电阻烧毁，换成热敏电阻PTC后电流过大时热敏电阻发热阻值增大，电路中的电流减小最终达到热平衡［7］，不会出现烧毁电阻情况。

更换限流电阻后，在空调外机最恶劣的工作条件85℃的工况条件下算出电流环通讯回路的最小电流：

光耦817的CTR=200，即IC=if×2=3.3×2=6.6 mA

6.6mA＞2.5mA，在空调外机85 ℃工况下，饱和导通，经查817规格书光耦正常工作电流Ic范围为（2 mA～30 mA）能满足光耦副边电流IC范围电路正常工作要求。经计算更改电路后空调可保证可靠通讯，并防止外机L和S线反接造成电路烧毁的情况。

除更换光耦之外还可以通过修改元器件参数减小通讯延迟时间，从表1对光耦测试数据数据分析来看，在温度，Rd和CTR值一定的条件下，随着RL增大上升延迟时间tr和下降延迟时间tf也在增大；当温度，RL和Rd不变的条件下CTR值越大延迟时间就越长。由此可见减小光耦副边电阻RL和光耦CTR值可有效减小延迟时间提高通讯速率。［8］

表1 光耦延迟时间测试参数

空调通讯电路中电流值在6 mA左右，RL值和CTR值对光耦饱和有很大影响，要保证通讯稳定可靠光耦必须工作在饱和状态，如果RL值和CTR值太小那么实际电路电流值小于感应电流值造成光耦不饱和，另外CTR值不能太小否则会增加二极管驱动电流。综合考虑RL值选择1kΩ，选定CTR值为130 %～260 %。空调通讯电路中电流值在6 mA左右，RL值和CTR值对光耦饱和有很大影响，要保证通讯稳定可靠光耦必须工作在饱和状态，如果RL值和CTR值太小那么实际电路电流值小于感应电流值造成光耦不饱和，另外CTR值不能太小否则会增加二极管驱动电流。综合考虑RL值选择1kΩ，选定CTR值为130 %～260 %。

如图4所示，在温度30 ℃，RL值为1 kΩ，CTR 的范围130 %～260 %条件下实测电路更改后空调内外机2400 bps波特率通讯波形的上升和下降延迟时间，通讯波形上升时间tr=34us,下降时间tf=37us，延迟时t=71us，实际有效高电平TL=455 us，2400bps波特率标准脉宽tn=416 us。根据软件分位规则1bit如果出现5次为高电平，则确认为高电平，同理出现5次为低电平，则确认为低电平，采一次的时间为416 us/8=52。

图4 高通讯速率共零线电路通讯波形

图5 反接测试

TH有效-tn=39us<52 us，则在一个周期内8～9次高电平，信号正常。

104us>tn-TL有效=62 us>52 us,则在一个周期6～7次低电平，丢失一个采集点，有2个采集点余量，满足低电平要求。

实测该通讯电路可实现2400 bps的通讯速率要求。

4 实验验证

4.1 通讯可靠性测试

本实验通过测试通讯电路低温和高温状态不同电压下运行情况下的通讯波形，记录发送数据包数量和实际接收数据包数量，最后计算出丢包率是否合格，验证更改后电路内外机通讯的可靠性。测试内机常温，外机-30℃，外机冻2小时条件下，测试高低压通信波形，2小时的丢包率。

表2 内机常温，外机-30℃通讯波形数据

测试结果：2小时低温-30℃内外机通讯，2小时的丢包率：（21402/21405）×100%=99%，丢包率合格。

外机3小时85℃高温175V低压，265V高压通信波形数据，3小时的丢包率

表3 内机常温，外机80℃通讯波形数据

测试结果：室外机3小时85℃温度条件内外机通讯，3小时的丢包率：（11006/11145）×100%=98.7%，丢包率合格。

上述测试结果表明更改后的通讯电路外机在-20 ℃低温，85 ℃高温情况下均能稳定通讯。

4.2 直通后PTC的温度两端电压

测试工况：85℃。

测试条件：将空调通讯电路内机和外机的驱动三极管拉地

测试方法：室内外光耦一直处于导通状态，电流环此时直通状态，当PTC温度处于稳定状态时测量两端温度和电压。

表4 光耦延迟时间测试参数

（1）当室外板环境温度达到85 ℃时，从PTC器件的数据手册查得电阻值为RTC=4kΩ

（2）算出电流环通讯回路的电流

（3）光 耦817的CTR=200 %，即IC=if×2=2.5×2=5 mA>2.5mA。能满足光耦副边电流IC（2.5mA～30mA）范围.

外机85℃极限条件下光耦副边电流IC在正常工作电流范围内，能够保证电路正常工作，直通后PTC的温度和两端电压测试合格。

4.3 外机L线和S线反接测试

测试工况：室温30 ℃，交流265V。

测试条件：将空调通讯电路外机火线L和通讯线S对调，运行15min，测出热敏电阻两端温度。

R1替换成PTC（2kΩ，0.1A）后外机L线和S线反接，PTC温升变高，电阻变大，最终温度升高到65℃ 达到一个热平衡，器件长时间不会损坏。

5 结论

本文分析了目前变频空调中常用的电流环通讯的基本原理，并详细分析传统共零线电流环通讯电路的传输速率完成一次OTA升级的时间较长的情况。针对上述情况，提出了高速通讯速率共零线电路的解决方案，首先通过使用高速光耦提高通讯速率，并给电路增加光耦保护电路和防止线路反接的保护电路提高电路安全性和可靠性；另外通过更改光耦副边电阻值，选择合适CTR值范围等手段进一步减小延时时间提高火零线通讯电路通讯速率以及通讯可靠性。经实验验证更改后的通讯电路在高温高压，低温低压极端条件均能保证通讯的稳定性，并且在电流环直通，线路反接的情况下可保护器件不被损坏。所述技术创新通过提高空调内外通讯速率极大缩短了OTA升级时间，同时提高了通讯电路的可靠性和安全性。