应用于压缩机电机控制器的电源设计

周 峰 蒋 伟 张安东

（1. 苏州航天林泉电机有限公司，江苏 苏州 215011；2. 扬州大学水利与能源动力工程学院，江苏 扬州 225127）

反激开关电源因其结构简单、效率高、成本低等特性在电机控制领域得到了广泛的应用[1]。在电力电子领域已经具备大量的开关电源研究成果，但在电机控制的相关应用上还存在着很多问题。传统的反激开关电源的稳压反馈回路基本是采用电阻分压采样形式，不具备隔离性，抗干扰能力较差，响应速度慢，造成输出电压纹波大[2-3]。随着不断改进，大多采用光耦隔离反馈输出电压的设计也是单路反馈，另一路依靠变压器次级绕组匝比控制，依然存在输出电压纹波较大等缺点。

本文针对上述问题，设计了一款带隔离反馈控制的双输出反激电源，一路3.3V输出提供给控制系统中控制芯片，其输出电压通过光耦PC817和稳压芯片TLV431进行直接反馈。另一路15V输出给驱动芯片供电，该路电压的输出控制一方面通过变压器次级线圈的匝比调节控制，同时还在15V和3.3V之间跨接一个电阻作为虚拟负载，利用该电阻实现间接反馈控制。

电动空调压缩机电机控制系统并不是一个长期不间断运行的系统，因此为了节约能耗，本设计增加了电源工作唤醒功能，利用了整个控制系统中的CAN通信信号作为电源工作的唤醒信号。

1 电源系统设计

本设计主电路采用的是双输出反激电路拓扑，两路输出分别为15V/0.1A和3.3V/0.3A，输入电压为压缩机控制系统的低压控制电压 8V DC～17V DC，该输入电压恰好在电源控制芯片的供电和起动电压范围内，因此相比常规设计，这里不需要辅助绕组给电源芯片供电。为了抑制变压器漏感引起了尖峰电压，变压器的原边并联了RCD吸收电路，这里的R2采用的是快恢复二极管，同时考虑到优化开关性能，降低损耗，MOS管两端也增加了吸收电路，主电路图如图1所示。

电路输入部分利用差模、共模电感和对地电容，抑制瞬态电流和外壳之间绝缘性达到相应的电磁兼容指标，电磁兼容指标包括电磁辐射电磁抗干扰。电磁辐射要求测试电源端子骚扰电压和辐射骚扰的场强，电源工作时产生的辐射低于GB 9254—2008规定。电磁辐射抗干扰要求按照GB/T 17618—1998规定的测量条件下电源能够正常工作[4]，具体电路如图2所示。

图1 主电路图

图2 电磁兼容输入电路

稳压反馈控制电路核心是电源控制芯片UC2845、稳压器TLV431和光耦PC817A。UC2845是Unitrode公司生产的高性能电流控制型脉宽调制芯片。其具有低起动和工作电流、过流保护欠压锁定等特性，同时体积小、效率高、成本低，最大占空比50%，开关频率根据，这里R17取10kΩ，C22取1000pF，则开关频率为172kHz。利用稳压器TLV431作为电压基准源和误差放大器，采样 3.3V输出电压，将电压误差通过光耦 PC817A传送给UC2845的1脚，产生占空比控制MOS管D11的通断，TLV431内部自带高增益误差放大器，可实现高精度输出稳压控制[5]。同时电阻R18将经过MOS管的电流转化为电压送给UC2845的3脚，起到了过流保护的作用，如图3所示。为了解决两路输出带载差别较大时输出不稳问题，本设计在15V和3.3V输出间接了一个10kΩ的虚拟负载R21，当15V输出因负载较小时，会出现电压偏高，此时部分电流会通过虚拟负载R21流向反馈回路，实现对15V输出的稳压控制。

图3 反馈控制电路

该电源所供的电动空调压缩机控制器并不是长期不间断运行系统，本设计设有工作唤醒功能，在电源的输入端加入一个晶体管D9和一个晶闸管Q1，利用压缩机控制系统工作时 CAN通信信号作为触发源实现电源工作唤醒，电路如图4所示。当压缩机系统正常工作时，上位机和控制器之间会有实时参数收发，一旦通信正常，通信芯片IC5的7脚就会产生高电平信号，通过D10给到晶体管D9的基极，晶体管导通，此时开关管Q1也开通，实现电源输入导通。

图4 工作唤醒电路

2 电源参数设计

2.1 反馈回路参数设计

本设计中稳压反馈控制电路核心是电源控制芯片UC2845、稳压器TLV431和光耦PC817A。TLV431参考电压VREF=1.24，参考端电流参考值IREF=0.15μA，通常限流电阻在参考电流100倍以上取得[6-7]，因此根据式（1），R9、R14分别取值5.1kΩ和1.3kΩ，即

根据TLV431数据手册可知，IK为0.1～15mA，因此其必须要达到0.1mA才能正常工作，故

PC817A的CTR为80%～160%，导通压降VF为1.2V，正向导通电流IF为5mA，故

由式（3）和式（4）可得，R13=200Ω，R19=2kΩ。

2.2 变压器设计

1）磁心选择

变压器磁心选择采用了窗口面积法（AP法）来选择所需要的磁心[8-10]。AP计算公式如下：

式中， fS为变压器工作频率，取 172kHz；BW工作磁通密度，取 1.2T； Kf为波形系数，方波取 4；J为绕组电流密度的比例系数，取400A/cm2；K为窗口系数，取0.4；PT=10W，将这些参数带入算得AP=0.86cm4，通过查表，因此这里选择EE13锰锌铁氧体磁心。

2）绕组匝数

变压器原边绕组匝数NP为

式中，ΔB为磁心工作磁感应强度变化值。由式（6）计算得，NP=23匝。

副边匝数NS为

由式（7）计算得，15V输出线圈，NS1=49匝，3.3V输出线圈，NS2=13匝。

3）变压器气隙

为了防止变压器饱和，必须留有一定气隙，即

式中，IPK为变压器原边绕组的峰值电流。

根据式（8）可得，变压器气隙 lg=0.25mm。

2.3 功率管选型

功率开关管最小电压应力UDS为

根据经验，通常选择功率管时其 UDS电压会高于式（9）计算值。本设计选用的开关功率管是Nexperia公司的UDS=55V，ID=12A的BUK9832-55A功率管。

3 试验结果及波形

实验条件如下：输入电压VDC（8～17V），额定电压为12V，输出电压分别为15V和3.3V，开关频率172kHz，负载为电动空调压缩机电机控制器（15V负载为电机驱动模块，3.3V负载为控制器MCU和运放模块）。实验结果见表1。

表1 实验结果

从实验结果来看，输出电压 1的平均值为15.10V，输出电压2的平均值为3.35V。

满载运行时，输入电压VDC在8～17V内变化，输出电压 1平均电压为 15.1V，纹波峰峰值为166mV，纹波系数为1.1%；输出电压2平均电压为3.28V，纹波峰峰值为31.2mV，纹波系数为0.95%，两路电压输出波形和纹波分别如图5、图6所示。

图5 两路电压输出波形

图6 两路输出纹波

根据以上实验结果及实验波形可证实，该电源性能完全符合指标要求，具备可行性和稳定性，并在相关产品上已经多次实际应用。

4 结论

本文设计了一款应用于压缩机电机控制器的双路输出反激开关电源。经过实验测试，该电源成功克服了传统的双路输出电源的负载差别大输出电压不稳、纹波大等弊端，同时还充分结合压缩机系统实际运行工况增加工作唤醒功能。该电源输入输出隔离，稳压率高，纹波系数低，反馈动态响应速度快，具备良好的通用性，可广泛应用于其他电机控制器。