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电机控制用小功率稳压电源的设计 |
| 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，它的工作频率为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。 1、单端反激式变换器基本工作原理[1]  图1 反激式变换器电路原理简图 2、电路原理与设计 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5.7 V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。  图2 TOP224Y内部结构框图 2.2 主电路工作原理  图3 TOP224Y 构成的单端反激式电源电路 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+15 V 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，由于某种原因UO↑，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UO↓，实现了稳压；反之，UO↓→If↓→ICE↓→IC↓→D↑→UO↑，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[3] 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Dmax＝0.4，变压器选用锰锌铁氧体R2KB 磁芯，其导磁率高达2 000 滋i，饱和磁密BS 值为480mT（25℃时），经计算选用EI-22 磁芯，其有效截面积为42 mm2，取ΔB＝0.15T。  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100 kHz， 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 计算原尧副边及反馈绕组匝数 原边匝数Np为  副边匝数Ns为  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ΔB  式中：滋0为真空磁导率，取4π×10-7H/m。 则：Bmax=1/2ΔB+B=225 mT。比较可得：Bmax<1/2Bs， 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Φ0.31 mm 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 本设计反馈电路中D8 采用击穿电压为13 V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20 mA，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17 mA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  4、结语 |