电机控制用小功率稳压电源的设计.docx

电机控制用小功率稳压电源的设计zhangting导语：永磁无刷直流电机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三局部组成的机电一体化系统。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三局部组成的机电一体化系统。该电机克制了有刷电机的众多弊端，因此，近年来开展很快，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PIPowerIntegration公司推出的TOPSwitch-系列开关电源专用集成芯片能很好地解决这些问题，它的工作频率为100kHz，外围电路简单、电磁干扰小、本钱低廉，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。因此本设计选用其中的TOP224Y芯片构成单端反激式开关电源作为控制器电源。1、单端反激式变换器根本工作原理1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、隔离双重作用。图1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VI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，进而二极管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。图1反激式变换器电路原理简图2、电路原理与设计2.1TOP224Y的主要特性2TOP224Y是TOPSwitch-域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沟通输入电压可达85265V，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，因此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，这些特点非常合适于用来设计小功率辅助电源。图2是其内部构造框图。当系统上电时，漏极D变为高电位，内部电流源开场向C端供电且片内开关在0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1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改由反应电路提供。控制端电压UC经过ZC、P沟道场效应管和电阻RE分压后，获得反应电压Uf，加至误差放大器的反相输入端。误差放大器将Uf与5.7V基准电压进展比拟之后，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展比拟，调节脉冲占空比。由以上分析可看出，TOPSwitch-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。align=center图2TOP224Y内部构造框图/align2.2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160220V，输出为一路+5V电压和两路相互隔离的+15V电压，设计功率为5W。align=center图3TOP224Y构成的单端反激式电源电路/align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展箝位和吸收，进而保护功率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+5V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不是很高，故反应电路采用配稳压管的光耦反应电路。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，进而调节占空比D，改变PWM宽度，到达稳定输出电压的目的。比方，由于某种原因UO，那么光耦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UO，实现了稳压；反之，UOIfICEICDUO，同样到达了稳压的作用。反应绕组的输出电压经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3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，磁芯同时加有沟通和直流，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，取最大占空比Dmax0.4，变压器选用锰锌铁氧体R2KB磁芯，其导磁率高达2000滋i，饱和磁密BS值为480mT25时，经计算选用EI-22磁芯，其有效截面积为42mm2，取B0.15T。2.3.1计算原边最大电流Ip式中：Po为输出功率；为变换器效率；Vinmin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=10s。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计算原尧副边及反应绕组匝数原边匝数Np为副边匝数Ns为反应绕组匝数：NF=Ns16以上绕组匝数均为取整后的数值。2.3.5验算磁芯的B式中：滋0为真空磁导率，取4×10-7H/m。那么：Bmax=1/2B+B=225mT。比拟可得：BmaxIN4743稳定电流IZ的典型值为20mA，R2支路只能供应大约3mA电流，为此，利用电阻R3提供另一路约17mA的电流，同时作为一局部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，进展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+15V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，系统跨越断续形式和连续形式两种工作状态，并且测量输出电压稳定。实验结果说明，该电源工作在满载状态时，效率达81，电压调整率、负载调整率和纹波知足控制电路对电源电压的要求，系统工作稳定。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说明，其性能稳定、可靠性高且具有较强的抗干扰才能。0