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        電機控制用小功率穩壓電源的設計 - 穩壓電源

        2019-07-01 04:28 1803次瀏覽 來源:

        TOP224Y穩壓電源電機控制
        引言

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

          控制用電源主要是給控制器的各種芯片提供電能,一般采用將系統外部輸入電壓經過高頻DC/DC隔離式開關電源變換成多路電壓輸出后給控制器芯片供電??刂朴秒娫垂β瘦^小,但要求簡單可靠、穩定性好。傳統的開關電源采用分立元器件,存在電路復雜、效率低、可靠性差等缺點。美國PI(Power Integration)公司推出的TOPSwitch-Ⅱ系列開關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,并增強系統工作的可靠性。因而本設計選用其中的TOP224Y芯片構成單端反激式開關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能式變換器,其變壓器兼有儲能、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。當高壓開關管S1導通時,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存能量,由于副邊繞組相位為上負下正,使二極管D反偏而截止,副邊回路無電流流過,此時電源能量轉化為磁能存儲在電感中。當S1截止時,原邊電壓極性反向,使副邊電壓極性反轉過來,從而二極管D導通,儲存在變壓器中的能量傳遞給負載,同時給輸出電容C充電,此時磁能轉化為電能釋放出來。當開關管重新導通時,負載電流由電容C來提供,同時變壓器原邊重新儲能,如此反復。從以上電路分析可以看出,S1導通時,副邊回路無電流;S1截止時,副邊回路有電流,這就是稱之為‘反激’的含義。
        2 電路原理與設計

          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,三個管腳分別為控制極C源極S和漏極D,其內部MOSFET耐壓值高達700V。它具有寬電壓輸入范圍(交流輸入電壓可達85~265V),AC/DC變換效率可達90%。它將功率開關管與其控制電路集成于一個芯片內,并具有自動復位、過熱保護和過流保護等功能。由于它有很高的集成度和完善的保護電路,因而用它構成的開關電源外圍元器件數目少、電源體積小、可靠性高,這些特點非常適合于用來設計小功率輔助電源。

          圖2是其內部結構框圖。當系統上電時,漏極D變為高電位,內部電流源開始向C端供電且片內開關在O位,給并接在C、S極的外接電容(如圖3中的C2)充電,當充電到5.7V時,自動重啟動電路關閉,片內開關跳到l位。TOPSwitch進入正常工作狀態,輸出PWM波驅動內部MOS管工作。此后,Ic改由反饋電路提供??刂贫穗妷篣c經過Zc、P溝道場效應管和電阻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基準電壓進行比較之后,輸出誤差電流If,當If流過電阻RE時,就在其上形成誤差電壓,以此和鋸齒波電壓進行比較,調節脈沖占空比。由以上分析可看出,TOPSwitch-Ⅱ屬電流控制型開關電源,由控制端電壓Uc提供偏壓,控制端電流Ic調節占空比。
        2.2 主電路工作原理

          圖3所示為本文設計的基于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,設計功率為5W。
        電路中D1為TVS(瞬態電壓抑制器),D2為超快恢復二極管,D1和D2組成箝位保護電路,用于對高頻變壓器由于漏感而產生的尖峰電壓進行箝位和吸收,從而保護功率MOSFET。副邊電壓經D3、C3整流濾波后輸出+15V電壓給脈寬調制芯片供電并經線性穩壓芯片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+5V輸出的副邊繞組,而且輸出電壓性能穩定,紋波更小。

          由于對輸出電壓的精度要求小是很高,故反饋電路采用配穩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,從而調節占空比D,改變PWM寬度,達到穩定輸出電壓的目的。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成反比關系,故D↓,導致U0↓,實現了穩壓;反之,U0↓→If↓→ICE↓→Ic↓→D↑→U0↑,同樣達到了穩壓的作用。

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


          2.3 高頻變壓器的設計

          由于外圍元器件少,所以設計的關鍵是變壓器。單端反激式變壓器工作在磁滯回線的第一象限,磁芯同時加有交流和直流,變壓器磁芯磁感應強度變化量△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計的難度。下面給出設計中變壓器參數的計算方法。

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

          2.3.1 計算原邊最大電流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 計算原邊電感量Lp
        式中:ton為開關管導通時間,ton=DT。

          TOP224Y的工作頻率為100kHz,所以T=1/f=10μs。

          2.3.3計算氣隙長度lg
        式中:Ac為磁芯的有效截面積(mm2);

          Bm為最大磁感應強度(T)。

        TOP224Y穩壓電源電機控制


          2.3.4 計算原、副邊及反饋繞組匝數
        反饋繞組匝數:NF=NS=16

          以上繞組匝數均為取整后的數值。

          2.3.5 驗算磁芯的△B
        故前面選擇的磁芯是合適的。

          2.3.6 導線的選擇和變壓器繞制

          本設計由于原、副邊電流均很小且考慮繞制方便,通過計算選用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,用環氧樹脂膠將磁芯和骨架粘接牢靠。

          2.4 反饋回路參數確定

          為了實現線性調節占空比,控制腳電流IC應在2~6mA之間,而IC是受光耦發光管電流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,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線性變化。因此一般取PC817發光管正向電流If為3mA。

          本設計反饋電路中D8采用擊穿電壓為13V的穩壓管IN4743。由于光耦PC817中LED的正向壓降為Uf≈1.2V,所以
        IN4743穩定電流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,同時作為一部分假負載用于改善輕負載時的穩壓性能。所以可求得R3阻值為
        3 實驗結果及分析

          根據以上分析和計算,進行了樣機的制作和試驗,圖4、圖5分別為輸入電壓為160V時+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TOP224Y漏極電壓Ud波形,可以看出,在輸入電壓大范圍變化時,系統跨越斷續模式和連續模式兩種工作狀態,并且測量輸出電壓穩定。實驗結果表明,該電源工作在滿載狀態時,效率達81%,電壓調整率、負載調整率和紋波滿足控制電路對電源電壓的要求,系統工作穩定。
        4 結語

          無刷直流電機是機電一體化產品,其中控制器是該電機能否正常工作之關鍵,它決定著電機的電子換向規律、正/反轉可逆運行和功率能流的有效調控,因此,控制器用穩壓電源的設計也顯得尤為重要。本文采用TOPSwitch集成芯片所研制的小功率輔助電源經測試表明,其性能穩定、可靠性高且具有較強的抗干擾能力。

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