电机控制用小功率稳压电源的设计 - 全文

引言

　　永磁无刷直流电机是目前具有新原理、新工艺、新方法的新型电机，它是由永磁无刷直流电机本体(BLDCM)、转子位置传感器(RPS)和控制器(CU)三部分组成的机电一体化系统。该电机克服了有刷电机的诸多弊端，因此，近年来发展很快，已应用在很多领域。

　　控制用电源主要是给控制器的各种芯片提供电能，一般采用将系统外部输入电压经过高频DC/DC隔离式开关电源变换成多路电压输出后给控制器芯片供电。控制用电源功率较小，但要求简单可靠、稳定性好。传统的开关电源采用分立元器件，存在电路复杂、效率低、可靠性差等缺点。美国PI(Power Integration)公司推出的TOPSwitch-Ⅱ系列开关电源专用集成芯片能很好地解决这些问题，它的上作频率为100kHz，外围电路简单、电磁干扰小、成本低廉，能有效地减小控制器的体积和重量，并增强系统工作的可靠性。因而本设计选用其中的TOP224Y芯片构成单端反激式开关电源作为控制器电源。

　　l 单端反激式变换器基本工作原理

　　单端反激式变换器又称电感储能式变换器，其变压器兼有储能、隔离双重作川。图l为其电路原理图。所谓单端，指变压器磁芯仅工作在其磁滞回线的一侧。当高压开关管S1导通时，直流输入电压V1加在原边绕组Lp两端，在变压器原边电感线圈中储存能量，由于副边绕组相位为上负下正，使二极管D反偏而截止，副边回路无电流流过，此时电源能量转化为磁能存储在电感中。当S1截止时，原边电压极性反向，使副边电压极性反转过来，从而二极管D导通，储存在变压器中的能量传递给负载，同时给输出电容C充电，此时磁能转化为电能释放出来。当开关管重新导通时，负载电流由电容C来提供，同时变压器原边重新储能，如此反复。从以上电路分析可以看出，S1导通时，副边回路无电流；S1截止时，副边回路有电流，这就是称之为“反激”的含义。

　　2 电路原理与设计

　　2.l TOP224Y的主要特性

　　TOP224Y是TOPSwitch-Ⅱ系列集成芯片中的一种，是典型的三端器件，三个管脚分别为控制极C源极S和漏极D，其内部MOSFET耐压值高达700V。它具有宽电压输入范围(交流输入电压可达85～265V)，AC/DC变换效率可达90％。它将功率开关管与其控制电路集成于一个芯片内，并具有自动复位、过热保护和过流保护等功能。由于它有很高的集成度和完善的保护电路，因而用它构成的开关电源外围元器件数目少、电源体积小、可靠性高，这些特点非常适合于用来设计小功率辅助电源。

　　图2是其内部结构框图。当系统上电时，漏极D变为高电位，内部电流源开始向C端供电且片内开关在O位，给并接在C、S极的外接电容(如图3中的C2)充电，当充电到5.7V时，自动重启动电路关闭，片内开关跳到l位。TOPSwitch进入正常工作状态，输出PWM波驱动内部MOS管工作。此后，Ic改由反馈电路提供。控制端电压Uc经过Zc、P沟道场效应管和电阻RE分压后，获得反馈电压Uf加至误差放大器的反相输入端。误差放大器将Uf与5.7V基准电压进行比较之后，输出误差电流If，当If流过电阻RE时，就在其上形成误差电压，以此和锯齿波电压进行比较，调节脉冲占空比。由以上分析可看出，TOPSwitch-Ⅱ属电流控制型开关电源，由控制端电压Uc提供偏压，控制端电流Ic调节占空比。

　　2.2 主电路工作原理

　　图3所示为本文设计的基于TOP224Y的反激式控制器辅助电源电路图。输入电压为直流160～220V，输出为一路+5V电压和两路瓦相隔离的+15 V电压，设计功率为5W。

电路中D1为TVS(瞬态电压抑制器)，D2为超快恢复二极管，D1和D2组成箝位保护电路，用于对高频变压器由于漏感而产生的尖峰电压进行箝位和吸收，从而保护功率MOSFET。副边电压经D3、C3整流滤波后输出+15V电压给脉宽调制芯片供电并经线性稳压芯片LM7805降压后输出+5 V电压，给逻辑合成芯片供电，采用LM7805不但省去了多绕一个+5V输出的副边绕组，而且输出电压性能稳定，纹波更小。

　　由于对输出电压的精度要求小是很高，故反馈电路采用配稳压管的光耦反馈电路。电路利用输出电压的变化引起光耦中LED的电流If的变化来控制TOP224Y的控制极电流Ic，从而调节占空比D，改变PWM宽度，达到稳定输出电压的目的。比如，由于某种原冈U0↑，则光耦LED的电流If↑，经光耦传输后，接收管电流Ice↑，故TOP224Y的Ic↑，而Ic与占空比D成反比关系，故D↓，导致U0↓，实现了稳压；反之，U0↓→If↓→ICE↓→Ic↓→D↑→U0↑，同样达到了稳压的作用。

　　反馈绕组的输出电压经D4、C4整流滤波后，给光耦的接收端提供偏置电压，同时作为另一路+15V电压输出给专用驱动芯片供电，电路中C2是旁路电容，其作用有三个：滤除控制端上的尖峰电压；决定自动重启动频率；与R1构成控制环路的补偿电路。

　　2.3 高频变压器的设计

　　由于外围元器件少，所以设计的关键是变压器。单端反激式变压器工作在磁滞回线的第一象限，磁芯同时加有交流和直流，变压器磁芯磁感应强度变化量△B变化很小，为了防止磁芯饱和，一般采用加气隙的方法，这就增加了变压器设计的难度。下面给出设计中变压器参数的计算方法。

　　本设计反激式变换器采用不连续导通工作方式(DCM)，取最大占空Dmax=0.4，变压器选用锰锌铁氧体R2KB磁芯，其导磁率高达2000μi，饱和磁密BS值为480mT(25℃时)，经计算选用E1-22磁芯，其有效截面积为42m㎡，取△B=O.15T。

　　2.3.1 计算原边最大电流Ip

　　式中:Po为输出功率；

　　η为变换器效率；

　　Vin(min)为输入最小直流电压；

　　Dmax为最大占空比。

　　2.3.2  计算原边电感量Lp

　　式中：ton为开关管导通时间，ton=DT。

　　TOP224Y的工作频率为100kHz，所以T=1/f=10μs。

　　2.3.3计算气隙长度lg

　　式中：Ac为磁芯的有效截面积(mm2)；

　　Bm为最大磁感应强度（T）。

　　2.3.4  计算原、副边及反馈绕组匝数

　　反馈绕组匝数：NF=NS=16

　　以上绕组匝数均为取整后的数值。

　　2.3.5  验算磁芯的△B

　　故前面选择的磁芯是合适的。

　　2.3.6 导线的选择和变压器绕制

　　本设计由于原、副边电流均很小且考虑绕制方便，通过计算选用φO.3lmm漆包线绕制变压器。为了减少漏感，变压器绕组应同轴分布，绕线采用夹层(三明治)绕法，即：一半原边绕组52匝(里层)+次级绕组16匝+另一半原边绕组53匝+反馈绕组16匝(外层)。各层间夹绝缘胶带，绕完后最外面再用绝缘胶带包扎，用环氧树脂胶将磁芯和骨架粘接牢靠。

　　2.4 反馈回路参数确定

　　为了实现线性调节占空比，控制脚电流IC应在2～6mA之间，而IC是受光耦发光管电流If控制的，由于PC817是线性光耦，二极管正向电流If在3mA左右时，三极管的集射电流Ice在4mA左右，而且集射电压在很宽的范围内线性变化。因此一般取PC817发光管正向电流If为3mA。

　　本设计反馈电路中D8采用击穿电压为13V的稳压管IN4743。由于光耦PC817中LED的正向压降为Uf≈1.2V，所以

　　IN4743稳定电流IZ的典型值为20mA，R2支路只能供给大约3mA电流，为此，利用电阻R3提供另一路约17mA的电流，同时作为一部分假负载用于改善轻负载时的稳压性能。所以可求得R3阻值为

　　3 实验结果及分析

　　根据以上分析和计算，进行了样机的制作和试验，图4、图5分别为输入电压为160V时+5V和+15 V的输出电压波形，纹波电压小于3%。图6、图7分别给出输入电压在160V和89.5V情况下，输出功率4.5W时TOP224Y漏极电压Ud波形，可以看出，在输入电压大范围变化时，系统跨越断续模式和连续模式两种工作状态，并且测量输出电压稳定。实验结果表明，该电源工作在满载状态时，效率达81％，电压调整率、负载调整率和纹波满足控制电路对电源电压的要求，系统工作稳定。

　　4 结语

　　无刷直流电机是机电一体化产品，其中控制器是该电机能否正常工作之关键，它决定着电机的电子换向规律、正/反转可逆运行和功率能流的有效调控，因此，控制器用稳压电源的设计也显得尤为重要。本文采用TOPSwitch集成芯片所研制的小功率辅助电源经测试表明，其性能稳定、可靠性高且具有较强的抗干扰能力。