張森 管江勇 吳恩豪 麻文山 謝堂建

（1.青島經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)海爾熱水器有限公司，山東青島 266500；2.數(shù)字化家電國家重點實驗室，山東青島 266101）

隨著社會的發(fā)展，人民生活水平的提高，燃?xì)鉄崴鞑粩喟l(fā)展、更新，以滿足人們對較高生活品質(zhì)的追求，如今的燃?xì)鉄崴鞲迎h(huán)保、安全、舒適，越來越受人們的喜愛。燃?xì)鉄崴髦惺褂玫娘L(fēng)機大多數(shù)為直流風(fēng)機。直流風(fēng)機以其平滑調(diào)速、低噪音、穩(wěn)定性高等特點，在家電應(yīng)用中逐漸替代了交流風(fēng)機的應(yīng)用場景。燃?xì)鉄崴髦惺褂玫闹绷黠L(fēng)機都是離心式風(fēng)機，是為了能夠提供足夠大的風(fēng)壓，盡量減小外界風(fēng)力對其造成的影響。目前風(fēng)機控制一般采用轉(zhuǎn)速反饋，通過單片機程序進行軟件控制，響應(yīng)速度慢，抗風(fēng)壓效果差。本文提出了一種反激開關(guān)電源驅(qū)動直流風(fēng)機的恒流閉環(huán)控制方案，通過硬件電路實現(xiàn)了閉環(huán)控制，可根據(jù)負(fù)載變化自動調(diào)節(jié)，響應(yīng)速度快。

1 反激開關(guān)電源驅(qū)動直流風(fēng)機的恒流閉環(huán)控制電路設(shè)計

1.1 風(fēng)機調(diào)速介紹

直流風(fēng)機控制，使用開關(guān)電源方式進行風(fēng)機母線電壓調(diào)節(jié)。直流風(fēng)機電流Io跟隨電壓Vo變化，風(fēng)機轉(zhuǎn)速也隨之變化。風(fēng)機電流Io增加，風(fēng)機轉(zhuǎn)速上升；風(fēng)機電流Io降低，風(fēng)機轉(zhuǎn)速下降。

1.2 反激開關(guān)電源基本原理

反激拓?fù)涞那吧硎荁uck-Boost 變換器，只不過是在Buck-Boost 變換器的開關(guān)管和續(xù)流二極管之間放入一個變壓器，從而實現(xiàn)輸入與輸出電氣隔離的一種方式，因此，反激變換器也就是帶隔離的Buck-Boost 變換器。

（1）TOP 管打開，變壓器初級線圈兩端感應(yīng)電壓方向為上正下負(fù)，次級線圈為上負(fù)下正，二極管D1反向偏置關(guān)斷，電流流過變壓器初級線圈，線圈電流線性上升，變壓器儲存能量，次級線圈無輸出，此時電容向負(fù)載輸出能量。

（2）TOP 管關(guān)斷，變壓器電流不能突變，變壓器初級線圈兩端感應(yīng)電壓反向為上負(fù)下正，次級線圈為上正下負(fù)，二極管D1正向偏置開通，變壓器給電容E 充電及負(fù)載提供能量[1]。

（3）重復(fù)以上過程。

1.3 反激開關(guān)電源輸出調(diào)節(jié)原理

反激開關(guān)電源電路利用輸出電壓在電阻R8的壓降與TL431 內(nèi)部基準(zhǔn)電壓比較（如圖1 所示），電阻R8電壓高于TL431 內(nèi)部基準(zhǔn)，TL431 陰極對地低阻抗，光耦二極管支路電壓不變，阻抗減小，光耦二極管電流（Id）增大，三級管的電流（Ic=CTR×Id）增大，即流入TOP 芯片控制C 腳電流增大；電阻R8電壓低于TL431 內(nèi)部基準(zhǔn)，TL431 陰極對地高阻抗，光耦二極管支路電壓不變，阻抗增大，光耦二極管電流（Id）減小，三級管的電流（Ic=CTR×Id）減小，流入TOP 芯片控制C 腳的電流減??；TOP 芯片根據(jù)流入控制C 腳的電流大小調(diào)整開關(guān)電源PWM 占空比，從而調(diào)節(jié)輸出電壓，最終達到輸出穩(wěn)定。調(diào)整電路參數(shù)，使TOP 芯片的占空比與控制C 腳電流對應(yīng)關(guān)系介于下圖曲線的中間線性可控區(qū)域即流入控制腳C 的電流Ic與占空比D 成反比[2]，如圖2 所示。

圖1 反激開關(guān)電源基本拓?fù)?/p>

圖2 TOP 芯片控制腳C 電流與占空比關(guān)系

2 反激開關(guān)電源驅(qū)動直流風(fēng)機的恒流閉環(huán)控制方案設(shè)計

該方案由兩部分組成。一部分是開關(guān)電源部分，另一部分是誤差放大部分（如圖3 所示）。由于本方案使用恒流方式控制負(fù)載風(fēng)機。誤差放大的分壓部分，用實際負(fù)載和采樣電阻實現(xiàn)。

圖3 恒流風(fēng)機閉環(huán)控制方案

主電源12 V為主電源變壓器次級線圈輸出電壓，為板子（除風(fēng)機外）負(fù)載供電；電路中VCC 為主電源變壓器輔助線圈輸出電壓，為主電源TOP 控制C 腳和風(fēng)機電源TOP 控制C 腳提供電流；Us為風(fēng)機開關(guān)電源變壓器次級輸出（風(fēng)機母線電壓）；電阻R6為風(fēng)機采樣電阻，風(fēng)機電流流過電阻R6，電阻兩端產(chǎn)生采樣電壓，經(jīng)過電阻R22到運放2 腳。MCU 輸出調(diào)速PWM方波經(jīng)過電阻R25、電容C11到運放3 腳。運放IC5、電阻R8、電容C3構(gòu)成積分誤差放大電路將誤差放大，最終運放IC51 腳輸出穩(wěn)定調(diào)制電壓信號[3]。

當(dāng)設(shè)定MCU 輸出調(diào)速PWM 方波為最大占空比，此時風(fēng)機工作在不可調(diào)速狀態(tài)，風(fēng)機以最大轉(zhuǎn)速運行，對應(yīng)風(fēng)機電源輸出為最大電壓。調(diào)速PWM 方波通過電阻R25，電容C11濾波將方波濾波成直流到運放3 腳，運放IC52 腳電壓為風(fēng)機電流的采樣電壓，運放3 腳電壓一直高于運放2 腳電壓，運放1腳輸出電壓為運放電源電壓（主電源12 V），此時電路為基本的反激開關(guān)電源電路，輸出電壓調(diào)節(jié)支路為電阻R10，R14支路，調(diào)節(jié)原理與反激開關(guān)電源調(diào)節(jié)原理相同。

當(dāng)設(shè)定MCU 輸出調(diào)速PWM 占空比低于最大占空比，此時風(fēng)機工作在調(diào)速狀態(tài)，風(fēng)機母線電壓低于風(fēng)機開關(guān)電源最大輸出電壓。電阻R14的分壓一直低于TL431 的參考電壓2.5 V，電阻R10，R14調(diào)節(jié)支路不再起作用，根據(jù)TL431 特性，陰極對地為高阻抗。光耦二極管的電流回路為電阻R7、二極管D4、運放IC5。當(dāng)實際風(fēng)機電流低于設(shè)定值，即MCU 設(shè)定調(diào)速PWM 方波，通過電阻R14，電容C4濾波成直流電壓信號高于運放2 腳電壓信號（實際風(fēng)機母線采樣電壓），運放1 腳輸出電壓升高，光耦二極管支路壓差減小，光耦二極管電流（Id）減小，光耦三極管電流（Ic=CTR×Id）減小，即流入TOP 芯片控制C 腳電流減小，根據(jù)圖2TOP 芯片控制腳電流與占空比關(guān)系曲線，反激電源的占空比升高，輸出電壓（風(fēng)機母線電壓）升高，風(fēng)機電流上升，風(fēng)機轉(zhuǎn)速上升；當(dāng)實際風(fēng)機電流高于設(shè)定值，即MCU 設(shè)定調(diào)速PWM方波通過電阻R14，電容C4濾波成直流電壓信號低于運放2 腳電壓信號（實際風(fēng)機母線采樣電壓），運放1 腳輸出電壓降低，光耦二極管支路壓差增大，導(dǎo)致光耦二極管電流（Id）增大，光耦三極管電流（Ic=CTR×Id）增大，即流入TOP 芯片控制C 腳電流增大，根據(jù)圖2 TOP 芯片控制腳電流與占空比關(guān)系曲線，反激電源的占空比降低，輸出電壓（風(fēng)機母線電壓）降低，風(fēng)機電流下降，風(fēng)機轉(zhuǎn)速下降。單片機PWM 輸出設(shè)定值與實際風(fēng)機電流具有一一對應(yīng)關(guān)系，實現(xiàn)閉環(huán)恒流控制。

3 電源導(dǎo)通瞬間的過沖電壓抑制措施

上電瞬間，主電源TOP 芯片和風(fēng)機電源TOP 芯片同時工作，主電源12 V 沒建立，風(fēng)機電路的TL431 不工作，光耦二極管支路無電流，此時風(fēng)機開關(guān)電源TOP 芯片控制電路默認(rèn)以最大占空比工作，且風(fēng)機開關(guān)電源輸出調(diào)節(jié)處于開環(huán)狀態(tài)，導(dǎo)致輸出電壓瞬間過沖（沖擊電壓高達80 V，如圖4 所示），導(dǎo)致風(fēng)機內(nèi)部的驅(qū)動芯片擊穿燒毀。為了防止上電瞬間的過沖現(xiàn)象，硬件增加軟啟動功能（電解E2），防止上電瞬間光耦二極管支路處于開路狀態(tài)。軟件控制上電時序，電源上電，MCU檢測到水流信號后控制輸出調(diào)速PWM 方波，調(diào)速PWM 方波輸出后MCU輸出高電平控制三極管N1導(dǎo)通，三極管N1導(dǎo)通后，光耦二極管導(dǎo)通，光耦三極管對地導(dǎo)通，風(fēng)機TOP 芯片X 腳檢測到低電平開始工作，即風(fēng)機電源開始工作，時序波形如圖5 所示，此時風(fēng)機電路可正常啟動，過沖現(xiàn)象消除，風(fēng)機內(nèi)部驅(qū)動芯片再無擊穿現(xiàn)象。

圖4 修整前風(fēng)機電壓

圖5 修整后風(fēng)機電壓

4 結(jié)論

本文介紹了反激開關(guān)電源控制直流風(fēng)機方案，實現(xiàn)恒流風(fēng)機控制調(diào)節(jié)。本方案采用硬件閉環(huán)控制，當(dāng)有外界擾動時（如風(fēng)堵），響應(yīng)速度快，抗干擾能力加強，同時直流風(fēng)機的抗風(fēng)壓能力也加強。