运算放大器在格力变频空调中的典型应用分析

运算放大器也称为运放，在格力变频空调中主要起到对微弱信号的放大作用，用于更好地实现控制与保护。本文以格力变频空调为载体，介绍运算放大器的典型应用，以便辐射其他变频空调品牌的电路设计变频板 检修等。

0、前言
变频空调的普及率越来越高，尤其是目前生产的家用系列空调基本上采用变频控制方式，随着安装、使用环境、器件质量等诸多因素的影响下，变频空调故障率也相对较高，尤其是外机的变频板。
外机变频板驱动负载较多，如，直流变频压缩机、外风机、电子膨胀阀等，为了实现良好的控制与保护，在电路当中设置了由运算放大器等组成的控制电路，通过功能电路的设计，可以实现对压缩机相电流检测、转子位置信息检测等，由于运算放大器组成的电路相对较复杂，很多空调维修从业者对该电路理解还是有一定困难，笔者通过对格力挂式变频空调关于运算放大器典型应用电路进行总结，以求读者能快速入门和提高查排变频空调电路故障的能力。
1、运算放大器的识别

运算放大器封装形式有双列直插(DIP)封装、单列直插(SIP)封装、贴片(DMP、SOP、SSOP、MSOP)封装，如图1所示;在格力变频空调中常用的有双运算放大器和四运算放大器，双运算放大器指内部含有两个运算放大器，如图2所示;四运放其内部有四个运算放大器，如图3所示。运算放大器工作需要有电源，在变频空调中为了优化板子设计以及降***造成本，一般采用单电源供电，常见有+3.3V、+5V、+15V;运算放大器有同相输入端(+)、反相输入端( - )和输出端( out)。

运算放大器的内部电路基本框图如图4所示。运算放大器属于低功耗器件，由于内部采用差分输入、放大，具有输入阻抗高，工作电流小等特点，所以有输入“虚短”和输出'虚断'的特性，也就是两输入端基本处于等电位的输入“虚短”状态，以及运放输入阻抗高，基本不吃电流，所以输入与输出端等同于“虚断”特性。

2、运算放大器在变频空调中的常见形式
运算放大器在变频空调电路中常见有三种应用形式，分别为同相放大器、反相放大器、差分放大器。在格力变频空调中常用的运算放大器型号有UPC844G、OPA4374、LM2904、TS2274。
例如，OPA4374是内含四个运算放大器，其工作电压单电源为2.3V~5.5V ，带宽达到6.5MHz，具有低功耗，性价比高的特点;LM2904内含两个运算放大器，其工作电压单电源为3V~36V，带宽1.2MHz;TS2274也是内含两个运算放大器，其工作电压单电源为2.7V~5.5V，带宽6.5MHz，主要应用在2020年后格力新款变频空调中。
2.1同相放大器

由同相端输入信号，反相端接反馈网络，信号被放大后从输出端输出。如图5所示，当R2=R1//RF时，其输出端电压公式如下:

以LM2904运算放大器为例，选择+15V单电源供电，当R2=1.8k，R1=2k，RF=20k，且同相输入端电压Ui为0.5V时，通过计算放大后输出电压如下(通过仿真计算输出也是5.5V，如图6所示):

从仿真数据可以看出，同相输入端为0.5V，反相端也为0.5V，而输出端是5.5V，说明该运算放大器处于放大状态时，同相与反相输入端基本同电位，工程中称为“虛短"状态。
如果改变RF或R1阻值就会改变该运放的放大倍数，例如，把RF改为10k，则U。值如下:

如图7所示，通过仿真也是输出3.0V电压。

2.2反相放大器
由反相端输入信号，同相端经电阻接地，反相端接反馈网络，信号被放大后从输出端输出。如图8所示，当R2=R1//RF时，其输出端电压如下:

以LM2904运放为例，单电源+15V供电，各电阻阻值如图9所示，当反相输入端输入-0.5V电压时，其输出电压如下:

通过仿真计算也是输出5.0V。如果改变RF或R1阻值就会改变放大倍数与输出结果，与同相放大器方法雷同，此处不再举例推演。
2.3差分放大器
由同相和反相端输入信号，反相端接反馈网络，信号被差分放大后从输出端输出。如图10所示，当R1=R2，RF=R3时，其输出端电压如下:

同样以LM2904运放为例，单电源+15V供电，各电阻阻值如图11所示，当在同相端输入1.0V，反向端输入0.5V时，输出端电压如下:

通过仿真计算也是输出5.0V。如果改变RF或R1阻值就会改变放大倍数与输出结果，此处也不再举例，读者自行分析、计算。
3、运算放大器在格力变频空调中的典型应用
在格力变频空调中，运算放大器主要是对一些微弱信号进行放大处理，这样易被CPU识别，以实现良好的控制与提高其稳定性。为了便于分析，笔者对格力变频空调冷静王II(2代)机子的相电流、压缩机转子位置信息电路进行绘制，方便读者学习。图12是基于外机板上电待机时的数据(与基于相电流输出5A时的数据略有不同，如图12标注)。

3.1运算放大器在格力变频空调压缩机转子位置检测电路中的应用
(1)电压跟随器在格力变频空调冷静王I(2代)中的应用
在电路中，通过三颗0.015Ω无感水泥电阻(如图6所示)，采集的压缩机相电流得到的电压比较低，为了提高其稳定性，往往采用运算放大器做成1:1(电压跟随)放大器的方式，如图13所示。+3.3V通过R601与R602分压得到1.65V，送到OPA4374运放的同相输入端( 10脚)，由于运放的反相输入端(9脚)与输出端(8脚)连接在一起，因此构成电压跟随器，所以输出也是1.65V， 通过这种形式有效提高了输出带载能力。

(2)运算放大器在格力变频空调冷静王I(2代)压缩机转子位置检测电路中的应用
外机板上电处于待机状态时，A点接IPM模块的无感水泥电阻上端，如图14、 图15所示，用于采集相电流波形，获取压缩机转子位置信息等，此处仅列举其中一路进行分析，由于上电后处于待机状态时没有压缩机驱动电流，等同于A点接地，为了方便仿真A点直接接地处理。

电压跟随器输出的1.65V通过电阻R609接到运放OPA4374的同相输入端(12脚)，该脚的电压被电阻R609与R604通过对1.65V分压，12脚电压为:

输出端经反馈电阻R614接到反相输入端，通过上面学习得知该运放处于同相放大状态，因此，14脚输出电压为此电压计算数据与仿真数据一样(如图14所示):

在实际检修中，外机板上电处于待机状态时，测量OPA4374运放的14脚如果为1.65V，说明位置检测电路没问题，同理，另外两路输出端1、7脚也应该是1.65V，否则要重点检查该电路。
如果机子处于正常运行时，如其运行时IPM 模块驱动的相电流为5A时，以A相为例，这样在IPM模块A相的无感水泥电阻R302上产生的压降为5AX0.015Ω=0.075V，如图16所示，由于0.075V太小，其相电流波形很难被CPU的12脚捕捉，造成无法判断转子位置信息，此时就会报H5或启动异常故障，因此需通过运放OPA4374放大5.5倍后从14脚输出1.99V电压，这样CPU的12脚就容易识别，提高了控制的可靠性。

3.2运算放大器在格力变频空调整机过流保护电路中的应用
当外机板上电处于“待机”状态时，流过直流母线的电流很小几乎不计(如图17、 图18所示)，此时“D"点等同于接地， LM2904运放同相输入端电压来自3.3V，通过电阻R525.R217分压得到，经同相放大7倍后输出3.3V电压送到外机CPU的30脚，以判断是否过流;流过母线电流越大，运放7脚输出电压越低，一旦检测到流过母线电流大于20A时，即D点电压为-0.3V时(如图19所示，LM2904运放7脚输出低至约1.5V，CPU识别并控制进入过流保护状态，报E5故障码。

4、检修案例
例1:一台格力挂式变频空调U雅II上电开机，压缩机短暂运转振动很大，报H5故障码。

分析检修:该外机板是二修板，前维修师傅已更换了模块和三路自举电容，故障依旧，转至我处时为了安全起见对开关电源、IPM模块、直流外风机驱动模块全部测量检查无问题后，接检测仪上电开机，开始压缩机能运转但振动很大，一会后停转并报H5故障(如图20所示)，其余一切正常。

上电后在待机下测量开关电源、三路自举、模块电压正常，测量模块的CIN(15脚)为低电平，FO为高电平也正常。测量运放U601 (OPA4374)的1、7、14脚电压时，1、7脚电压为1.65V正常(参考图14)，而14脚电压为0.5V，开始以为该运放外围的电阻变质导致异常，脱焊电阻一端，查遍外围电阻没有发现问题，当测量U601的14脚对地电阻时，发现阻值仅有302左右，明显有短路现象。更换U601后故障排除，上电后再测1、7、14脚电压均为1.65V。从本例可见由于OPA4374内部为四个运放，其中之一异常都会导致故障，因此，在检修中要注意排查，事倍功半。
例2: 一台格力挂式变频空调冷静王II上电开机，压缩机不运转，报H5故障码。分析检修:外机板已拆，接上检测仪开机，直流外风机运转，压缩机无反应，一会后报H5，如图20所示。测量开关电源各路输出电压正常，测量IPM模块供电三路自举电压、CIN、FO电压都正常，测量U601的1、7、14脚电压为1.65V正常，断电、放电后测量模块6路PWM控制输入以及U、V、W输出对地电阻也正常，维修陷入困境。
突然想到如果CPU采集不到压缩机转子位置信息就无法准确输出6路驱动PWM，这样压缩机也不运转，对U601的1、7、14至CPU的14、13、12脚的元件、线路检查，见图12，发现R619阻值为3.5MΩ，大于正常的2.2kΩ，由于该电阻问题使三路位置信息有一路没检测到，所以CPU未能发出6路驱动脉冲，压缩机不工作，并报H5故障码，将R619更换为2.2k电阻后，故障排除。
5、结论
运算放大器在变频空调中应用时，首先，要区分是同相放大、反相放大还是差分放大，知晓其内部基本框架与计算公式，这样就算遇到不同品牌的变频空调板，涉及到运算放大器部分的电路检修，都能够进行技术迁移，实现速查快修;其次，要关注运算放大器本身以及周边器件，尤其受使用环境、温湿度以及年限的影响，贴片电阻阻值异常(阻值变大居多)导致故障是目前常见问题;最后，善于使用万用表等开展电压、电阻量测，通过关键数据快速查排。