一种反激开关电源驱动直流风机的恒流闭环控制方案设计

2021-03-17张森管江勇吴恩豪麻文山谢堂建

轻工标准与质量 2021年1期

张森管江勇吴恩豪麻文山谢堂建

（1.青岛经济技术开发区海尔热水器有限公司，山东青岛 266500；2.数字化家电国家重点实验室，山东青岛 266101）

随着社会的发展，人民生活水平的提高，燃气热水器不断发展、更新，以满足人们对较高生活品质的追求，如今的燃气热水器更加环保、安全、舒适，越来越受人们的喜爱。燃气热水器中使用的风机大多数为直流风机。直流风机以其平滑调速、低噪音、稳定性高等特点，在家电应用中逐渐替代了交流风机的应用场景。燃气热水器中使用的直流风机都是离心式风机，是为了能够提供足够大的风压，尽量减小外界风力对其造成的影响。目前风机控制一般采用转速反馈，通过单片机程序进行软件控制，响应速度慢，抗风压效果差。本文提出了一种反激开关电源驱动直流风机的恒流闭环控制方案，通过硬件电路实现了闭环控制，可根据负载变化自动调节，响应速度快。

1 反激开关电源驱动直流风机的恒流闭环控制电路设计

1.1 风机调速介绍

直流风机控制，使用开关电源方式进行风机母线电压调节。直流风机电流Io跟随电压Vo变化，风机转速也随之变化。风机电流Io增加，风机转速上升；风机电流Io降低，风机转速下降。

1.2 反激开关电源基本原理

反激拓扑的前身是Buck-Boost 变换器，只不过是在Buck-Boost 变换器的开关管和续流二极管之间放入一个变压器，从而实现输入与输出电气隔离的一种方式，因此，反激变换器也就是带隔离的Buck-Boost 变换器。

（1）TOP 管打开，变压器初级线圈两端感应电压方向为上正下负，次级线圈为上负下正，二极管D1反向偏置关断，电流流过变压器初级线圈，线圈电流线性上升，变压器储存能量，次级线圈无输出，此时电容向负载输出能量。

（2）TOP 管关断，变压器电流不能突变，变压器初级线圈两端感应电压反向为上负下正，次级线圈为上正下负，二极管D1正向偏置开通，变压器给电容E 充电及负载提供能量[1]。

（3）重复以上过程。

1.3 反激开关电源输出调节原理

反激开关电源电路利用输出电压在电阻R8的压降与TL431 内部基准电压比较（如图1 所示），电阻R8电压高于TL431 内部基准，TL431 阴极对地低阻抗，光耦二极管支路电压不变，阻抗减小，光耦二极管电流（Id）增大，三级管的电流（Ic=CTR×Id）增大，即流入TOP 芯片控制C 脚电流增大；电阻R8电压低于TL431 内部基准，TL431 阴极对地高阻抗，光耦二极管支路电压不变，阻抗增大，光耦二极管电流（Id）减小，三级管的电流（Ic=CTR×Id）减小，流入TOP 芯片控制C 脚的电流减小；TOP 芯片根据流入控制C 脚的电流大小调整开关电源PWM 占空比，从而调节输出电压，最终达到输出稳定。调整电路参数，使TOP 芯片的占空比与控制C 脚电流对应关系介于下图曲线的中间线性可控区域即流入控制脚C 的电流Ic与占空比D 成反比[2]，如图2 所示。

图1 反激开关电源基本拓扑

图2 TOP 芯片控制脚C 电流与占空比关系

2 反激开关电源驱动直流风机的恒流闭环控制方案设计

该方案由两部分组成。一部分是开关电源部分，另一部分是误差放大部分（如图3 所示）。由于本方案使用恒流方式控制负载风机。误差放大的分压部分，用实际负载和采样电阻实现。

图3 恒流风机闭环控制方案

主电源12 V为主电源变压器次级线圈输出电压，为板子（除风机外）负载供电；电路中VCC 为主电源变压器辅助线圈输出电压，为主电源TOP 控制C 脚和风机电源TOP 控制C 脚提供电流；Us为风机开关电源变压器次级输出（风机母线电压）；电阻R6为风机采样电阻，风机电流流过电阻R6，电阻两端产生采样电压，经过电阻R22到运放2 脚。MCU 输出调速PWM方波经过电阻R25、电容C11到运放3 脚。运放IC5、电阻R8、电容C3构成积分误差放大电路将误差放大，最终运放IC51 脚输出稳定调制电压信号[3]。

当设定MCU 输出调速PWM 方波为最大占空比，此时风机工作在不可调速状态，风机以最大转速运行，对应风机电源输出为最大电压。调速PWM 方波通过电阻R25，电容C11滤波将方波滤波成直流到运放3 脚，运放IC52 脚电压为风机电流的采样电压，运放3 脚电压一直高于运放2 脚电压，运放1脚输出电压为运放电源电压（主电源12 V），此时电路为基本的反激开关电源电路，输出电压调节支路为电阻R10，R14支路，调节原理与反激开关电源调节原理相同。

当设定MCU 输出调速PWM 占空比低于最大占空比，此时风机工作在调速状态，风机母线电压低于风机开关电源最大输出电压。电阻R14的分压一直低于TL431 的参考电压2.5 V，电阻R10，R14调节支路不再起作用，根据TL431 特性，阴极对地为高阻抗。光耦二极管的电流回路为电阻R7、二极管D4、运放IC5。当实际风机电流低于设定值，即MCU 设定调速PWM 方波，通过电阻R14，电容C4滤波成直流电压信号高于运放2 脚电压信号（实际风机母线采样电压），运放1 脚输出电压升高，光耦二极管支路压差减小，光耦二极管电流（Id）减小，光耦三极管电流（Ic=CTR×Id）减小，即流入TOP 芯片控制C 脚电流减小，根据图2TOP 芯片控制脚电流与占空比关系曲线，反激电源的占空比升高，输出电压（风机母线电压）升高，风机电流上升，风机转速上升；当实际风机电流高于设定值，即MCU 设定调速PWM方波通过电阻R14，电容C4滤波成直流电压信号低于运放2 脚电压信号（实际风机母线采样电压），运放1 脚输出电压降低，光耦二极管支路压差增大，导致光耦二极管电流（Id）增大，光耦三极管电流（Ic=CTR×Id）增大，即流入TOP 芯片控制C 脚电流增大，根据图2 TOP 芯片控制脚电流与占空比关系曲线，反激电源的占空比降低，输出电压（风机母线电压）降低，风机电流下降，风机转速下降。单片机PWM 输出设定值与实际风机电流具有一一对应关系，实现闭环恒流控制。

3 电源导通瞬间的过冲电压抑制措施

上电瞬间，主电源TOP 芯片和风机电源TOP 芯片同时工作，主电源12 V 没建立，风机电路的TL431 不工作，光耦二极管支路无电流，此时风机开关电源TOP 芯片控制电路默认以最大占空比工作，且风机开关电源输出调节处于开环状态，导致输出电压瞬间过冲（冲击电压高达80 V，如图4 所示），导致风机内部的驱动芯片击穿烧毁。为了防止上电瞬间的过冲现象，硬件增加软启动功能（电解E2），防止上电瞬间光耦二极管支路处于开路状态。软件控制上电时序，电源上电，MCU检测到水流信号后控制输出调速PWM 方波，调速PWM 方波输出后MCU输出高电平控制三极管N1导通，三极管N1导通后，光耦二极管导通，光耦三极管对地导通，风机TOP 芯片X 脚检测到低电平开始工作，即风机电源开始工作，时序波形如图5 所示，此时风机电路可正常启动，过冲现象消除，风机内部驱动芯片再无击穿现象。