電機(jī)控制用小功率穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)

　　O 引言

　　永磁無刷直流電機(jī)是目前具有新原理、新工藝、新方法的新型電機(jī)，它是由永磁無刷直流電機(jī)本體(BLDCM)、轉(zhuǎn)子位置傳感器(RPS)和控制器(CU)三部分組成的機(jī)電一體化系統(tǒng)。該電機(jī)克服了有刷電機(jī)的諸多弊端，因此，近年來發(fā)展很快，已應(yīng)用在很多領(lǐng)域。

　　控制用電源主要是給控制器的各種芯片提供電能，一般采用將系統(tǒng)外部輸入電壓經(jīng)過高頻DC/DC隔離式開關(guān)電源變換成多路電壓輸出后給控制器芯片供電。控制用電源功率較小，但要求簡(jiǎn)單可靠、穩(wěn)定性好。傳統(tǒng)的開關(guān)電源采用分立元器件，存在電路復(fù)雜、效率低、可靠性差等缺點(diǎn)。美國(guó)PI(Power Integration)公司推出的TOPSwitch-Ⅱ系列開關(guān)電源專用集成芯片能很好地解決這些問題，它的上作頻率為100kHz，外圍電路簡(jiǎn)單、電磁干擾小、成本低廉，能有效地減小控制器的體積和重量，并增強(qiáng)系統(tǒng)工作的可靠性。因而本設(shè)計(jì)選用其中的TOP224Y芯片構(gòu)成單端反激式開關(guān)電源作為控制器電源。

　　l 單端反激式變換器基本工作原理

　　單端反激式變換器又稱電感儲(chǔ)能式變換器，其變壓器兼有儲(chǔ)能、隔離雙重作川。圖l為其電路原理圖。所謂單端，指變壓器磁芯僅工作在其磁滯回線的一側(cè)。當(dāng)高壓開關(guān)管S1導(dǎo)通時(shí)，直流輸入電壓V1加在原邊繞組Lp兩端，在變壓器原邊電感線圈中儲(chǔ)存能量，由于副邊繞組相位為上負(fù)下正，使二極管D反偏而截止，副邊回路無電流流過，此時(shí)電源能量轉(zhuǎn)化為磁能存儲(chǔ)在電感中。當(dāng)S1截止時(shí)，原邊電壓極性反向，使副邊電壓極性反轉(zhuǎn)過來，從而二極管D導(dǎo)通，儲(chǔ)存在變壓器中的能量傳遞給負(fù)載，同時(shí)給輸出電容C充電，此時(shí)磁能轉(zhuǎn)化為電能釋放出來。當(dāng)開關(guān)管重新導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電流由電容C來提供，同時(shí)變壓器原邊重新儲(chǔ)能，如此反復(fù)。從以上電路分析可以看出，S1導(dǎo)通時(shí)，副邊回路無電流；S1截止時(shí)，副邊回路有電流，這就是稱之為“反激”的含義。

　　2 電路原理與設(shè)計(jì)

　　2.l TOP224Y的主要特性

　　TOP224Y是TOPSwitch-Ⅱ系列集成芯片中的一種，是典型的三端器件，三個(gè)管腳分別為控制極C源極S和漏極D，其內(nèi)部MOSFET耐壓值高達(dá)700V。它具有寬電壓輸入范圍(交流輸入電壓可達(dá)85～265V)，AC/DC變換效率可達(dá)90％。它將功率開關(guān)管與其控制電路集成于一個(gè)芯片內(nèi)，并具有自動(dòng)復(fù)位、過熱保護(hù)和過流保護(hù)等功能。由于它有很高的集成度和完善的保護(hù)電路，因而用它構(gòu)成的開關(guān)電源外圍元器件數(shù)目少、電源體積小、可靠性高，這些特點(diǎn)非常適合于用來設(shè)計(jì)小功率輔助電源。

　　圖2是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，漏極D變?yōu)楦唠娢唬瑑?nèi)部電流源開始向C端供電且片內(nèi)開關(guān)在O位，給并接在C、S極的外接電容(如圖3中的C2)充電，當(dāng)充電到5.7V時(shí)，自動(dòng)重啟動(dòng)電路關(guān)閉，片內(nèi)開關(guān)跳到l位。TOPSwitch進(jìn)入正常工作狀態(tài)，輸出PWM波驅(qū)動(dòng)內(nèi)部MOS管工作。此后，Ic改由反饋電路提供。控制端電壓Uc經(jīng)過Zc、P溝道場(chǎng)效應(yīng)管和電阻RE分壓后，獲得反饋電壓Uf加至誤差放大器的反相輸入端。誤差放大器將Uf與5.7V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較之后，輸出誤差電流If，當(dāng)If流過電阻RE時(shí)，就在其上形成誤差電壓，以此和鋸齒波電壓進(jìn)行比較，調(diào)節(jié)脈沖占空比。由以上分析可看出，TOPSwitch-Ⅱ?qū)匐娏骺刂菩烷_關(guān)電源，由控制端電壓Uc提供偏壓，控制端電流Ic調(diào)節(jié)占空比。

　　2.2 主電路工作原理

　　圖3所示為本文設(shè)計(jì)的基于TOP224Y的反激式控制器輔助電源電路圖。輸入電壓為直流160～220V，輸出為一路+5V電壓和兩路瓦相隔離的+15 V電壓，設(shè)計(jì)功率為5W。

　　電路中D1為TVS(瞬態(tài)電壓抑制器)，D2為超快恢復(fù)二極管，D1和D2組成箝位保護(hù)電路，用于對(duì)高頻變壓器由于漏感而產(chǎn)生的尖峰電壓進(jìn)行箝位和吸收，從而保護(hù)功率MOSFET。副邊電壓經(jīng)D3、C3整流濾波后輸出+15V電壓給脈寬調(diào)制芯片供電并經(jīng)線性穩(wěn)壓芯片LM7805降壓后輸出+5 V電壓，給邏輯合成芯片供電，采用LM7805不但省去了多繞一個(gè)+5V輸出的副邊繞組，而且輸出電壓性能穩(wěn)定，紋波更小。

　　由于對(duì)輸出電壓的精度要求小是很高，故反饋電路采用配穩(wěn)壓管的光耦反饋電路。電路利用輸出電壓的變化引起光耦中LED的電流If的變化來控制TOP224Y的控制極電流Ic，從而調(diào)節(jié)占空比D，改變PWM寬度，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。比如，由于某種原岡U0↑，則光耦LED的電流If↑，經(jīng)光耦傳輸后，接收管電流Ice↑，故TOP224Y的Ic↑，而Ic與占空比D成反比關(guān)系，故D↓，導(dǎo)致U0↓，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)壓；反之，U0↓→If↓→ICE↓→Ic↓→D↑→U0↑，同樣達(dá)到了穩(wěn)壓的作用。

　　反饋繞組的輸出電壓經(jīng)D4、C4整流濾波后，給光耦的接收端提供偏置電壓，同時(shí)作為另一路+15V電壓輸出給專用驅(qū)動(dòng)芯片供電，電路中C2是旁路電容，其作用有三個(gè)：濾除控制端上的尖峰電壓；決定自動(dòng)重啟動(dòng)頻率；與R1構(gòu)成控制環(huán)路的補(bǔ)償電路。

　　2.3 高頻變壓器的設(shè)計(jì)

　　由于外圍元器件少，所以設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是變壓器。單端反激式變壓器工作在磁滯回線的第一象限，磁芯同時(shí)加有交流和直流，變壓器磁芯磁感應(yīng)強(qiáng)度變化量△B變化很小，為了防止磁芯飽和，一般采用加氣隙的方法，這就增加了變壓器設(shè)計(jì)的難度。下面給出設(shè)計(jì)中變壓器參數(shù)的計(jì)算方法。

　　本設(shè)計(jì)反激式變換器采用不連續(xù)導(dǎo)通工作方式(DCM)，取最大占空Dmax=0.4，變壓器選用錳鋅鐵氧體R2KB磁芯，其導(dǎo)磁率高達(dá)2000μi，飽和磁密BS值為480mT(25℃時(shí))，經(jīng)計(jì)算選用E1-22磁芯，其有效截面積為42m㎡，取△B=O.15T。

　　2.3.1 計(jì)算原邊最大電流Ip

　　式中:Po為輸出功率；

　　η為變換器效率；

　　Vin(min)為輸入最小直流電壓；

　　Dmax為最大占空比。

　　2.3.2  計(jì)算原邊電感量Lp

　　式中：ton為開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間，ton=DT。

　　TOP224Y的工作頻率為100kHz，所以T=1/f=10μs。

　　2.3.3計(jì)算氣隙長(zhǎng)度lg

　　式中：Ac為磁芯的有效截面積(mm2)；

　　Bm為最大磁感應(yīng)強(qiáng)度（T）。

　　2.3.4  計(jì)算原、副邊及反饋繞組匝數(shù)

　　反饋繞組匝數(shù)：NF=NS=16

　　以上繞組匝數(shù)均為取整后的數(shù)值。

　　2.3.5  驗(yàn)算磁芯的△B

　　故前面選擇的磁芯是合適的。

　　2.3.6 導(dǎo)線的選擇和變壓器繞制

　　本設(shè)計(jì)由于原、副邊電流均很小且考慮繞制方便，通過計(jì)算選用φO.3lmm漆包線繞制變壓器。為了減少漏感，變壓器繞組應(yīng)同軸分布，繞線采用夾層(三明治)繞法，即：一半原邊繞組52匝(里層)+次級(jí)繞組16匝+另一半原邊繞組53匝+反饋繞組16匝(外層)。各層間夾絕緣膠帶，繞完后最外面再用絕緣膠帶包扎，用環(huán)氧樹脂膠將磁芯和骨架粘接牢靠。

　　2.4 反饋回路參數(shù)確定

　　為了實(shí)現(xiàn)線性調(diào)節(jié)占空比，控制腳電流IC應(yīng)在2～6mA之間，而IC是受光耦發(fā)光管電流If控制的，由于PC817是線性光耦，二極管正向電流If在3mA左右時(shí)，三極管的集射電流Ice在4mA左右，而且集射電壓在很寬的范圍內(nèi)線性變化。因此一般取PC817發(fā)光管正向電流If為3mA。

　　本設(shè)計(jì)反饋電路中D8采用擊穿電壓為13V的穩(wěn)壓管IN4743。由于光耦PC817中LED的正向壓降為Uf≈1.2V，所以

　　IN4743穩(wěn)定電流IZ的典型值為20mA，R2支路只能供給大約3mA電流，為此，利用電阻R3提供另一路約17mA的電流，同時(shí)作為一部分假負(fù)載用于改善輕負(fù)載時(shí)的穩(wěn)壓性能。所以可求得R3阻值為

　　3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

　　根據(jù)以上分析和計(jì)算，進(jìn)行了樣機(jī)的制作和試驗(yàn)，圖4、圖5分別為輸入電壓為160V時(shí)+5V和+15 V的輸出電壓波形，紋波電壓小于3%。圖6、圖7分別給出輸入電壓在160V和89.5V情況下，輸出功率4.5W時(shí)TOP224Y漏極電壓Ud波形，可以看出，在輸入電壓大范圍變化時(shí)，系統(tǒng)跨越斷續(xù)模式和連續(xù)模式兩種工作狀態(tài)，并且測(cè)量輸出電壓穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電源工作在滿載狀態(tài)時(shí)，效率達(dá)81％，電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率和紋波滿足控制電路對(duì)電源電壓的要求，系統(tǒng)工作穩(wěn)定。

　　4 結(jié)語

　　無刷直流電機(jī)是機(jī)電一體化產(chǎn)品，其中控制器是該電機(jī)能否正常工作之關(guān)鍵，它決定著電機(jī)的電子換向規(guī)律、正/反轉(zhuǎn)可逆運(yùn)行和功率能流的有效調(diào)控，因此，控制器用穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)也顯得尤為重要。本文采用TOPSwitch集成芯片所研制的小功率輔助電源經(jīng)測(cè)試表明，其性能穩(wěn)定、可靠性高且具有較強(qiáng)的抗干擾能力。