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1、硬件电路设计说明书 V1 文档版本 1.0 编写人：彭威 编写时间：2015-06-10 部门：研发部 审核人： 审核时间： 1. 引言1. 引言 1.1 编写目的1.1 编写目的 本文档是无刷直流电机风机盘管电源电路及控制驱动电路的硬件设 计说明文档，它详细描述了整个硬件模块的设计原理，其主要目的是 为无刷直流电机控制驱动电路的原理图设计提供依据，并作为 PCB 设计、软件驱动设计和上层应用软件设计的参考和设计指导。 1.2 产品背景1.2 产品背景 1.3 参考资料1.3 参考资料 Datasheet：Kinetis KE02 Datasheet：MKE02Z16VLC2 Datashee
2、t：MKE02Z64M20SF0RM Datasheet：FSB50760SFT Datasheet：TNY266 Datasheet：FAN7527 2. 硬件电路概述2. 硬件电路概述 2.1 电源部分2.1 电源部分 电源部分主要功能是提供 400V 直流电供给电机， 另外提供 15V 直 流电给电机驱动芯片供电。采用反激式开关电源设计。 2.1.1 总体方案2.1.1 总体方案 设计一款 100W 驱动开关电源。给定电源具体参数如下： （1）输入电压：AC 85V265V （2）输入频率：50Hz （3）工作温度：-20+70 （4）输出电压/电流：400V/0.25A （5）转换效率
3、：85% （6）功率因数：90% （7）输出电压精度：5% 系统整体框架如下 EMI滤波 AD/DC整流 前极保护电路 控制器FAN7525 功率因数校正DC/DC变换 TNY266控制器 输出400v直流电 输出15v直流 电机直流母线供电 驱动芯片供电 控制电路供电 输入220 如图所示为电源的整体架构框图， 主要目的是在输入的 85265V、 50Hz 交流电下，输出稳定的恒压电机驱动直流电。由图可知，电源 电路主要包括了前级保护电路模块、差模共模滤波模块、整流模块、 功率因数校正模块、DC/DC 模块。其中 EMI 滤波电路能够抑制自身和 电源线产生的电磁污染， 功率因数校正电路采用
4、Boost 有源功率因数 校正，用电压环、电流环双环闭环进行控制。DC/DC 模块采用光电耦 合将原边和副边进行反馈，控制了开关管的开通和关断，保持电压稳 定在 15V。 2.1.2 系统接口2.1.2 系统接口 接口描述对应原理图接口形式 电源输出接口输出 400v，15v 以及调速电压 P2 2.2 控制驱动电路2.2 控制驱动电路 控制驱动电路主要用于控制电机转速，使直流无刷电机按照设定 速度平稳安静运行。 控制方案采用开环控制， 驱动方式采用方波驱动。 2.2.1 控制系统整体框架如下：2.2.1 控制系统整体框架如下： 220VPFC电源电路开关电源 400v MCU MKE02Z1
5、6V LC2 DRIVE FSB50760S FT 15V 6路 PWM SWD下载模式 串口通信 VSP转速调节 FG转速输出 直流无刷电 机 U V W 霍尔传感器 电流检测 过流保 护 控制电路模块控制芯片采用飞思卡尔半导体公司的 32 位微控制 器 MKE02Z16VLC2，该芯片基于 ARM 结构体系的 Cortex-M0+内核， 其 中的 FlexTimer/PWM （FTM）模块为电机控制提供了很方便的接口， 方便控制输出 pwm 控制电机转速。控制方案采用有传感器开环控制， 传感器采用霍尔传感器检测电机转速。驱动电路芯片采用 FSB50760SFT，该芯片将 MOSFET 集成
6、在芯片内，减少了控制电路的大 小，同时，芯片内部还集成了温度传感器，当温度过高时，控制芯片 将停止输出 PWM 信号， 电机将自动停机。 控制驱动板上留有 5 个接口， 分别是 VM,GND,VCC,VSP,FG，其中 VM 是 310V 输入接口，VCC 为 15V 输入接口， VSP 为调速接口， 根据 VSP 输入电压大小来调节电机转速， FG 为电机转速输出接口。 2.2.2 系统接口电路2.2.2 系统接口电路 接口描述对应原理图接口形式 UART串口通信J12.54mm 间距插 针 SWD程序下载调试J22.54mm 间距插 针 Power电源接口PIN62.54mm 间距插 针
7、3硬件系统详细设计3硬件系统详细设计 3.1 电源部分 PFC 电路详细设计3.1 电源部分 PFC 电路详细设计 电源电路总体电路图见附件 1。 分析各电路模块，进行具体设计并分析其工作原理，具体电路包 括输入端保护电路、EMI 滤波电路、AC/DC 整流桥、Boost PFC 电路、 高频变压器的设计、反馈控制电路模块、恒压输出电路等，并设计元 器件参数和型号选择。 3.1.1 输入保护电路设计3.1.1 输入保护电路设计 设计输入保护模块如图 4.1 所示，主要有过流保护、过压保护。 图中 F1 为熔丝管，熔丝管熔点低，电阻率高，熔断速度快，成本 低廉，当开关电源产生短路，电流要是超过了
8、熔断电流，熔丝管将会 熔断。起到过电流保护的作用，选用 3A/250V。图中 VTR 为压敏电 阻，压敏电阻值随端电压而变化，对过电压脉冲响应快，耐冲击电流 能力强，漏电小，温度系数低，吸收浪涌电压，防雷击保护，起到过 电压保护的作用，选用 14D471K。图中 NTC 是负温度系数热敏电阻 器，热敏电阻器电阻值随温度升高而降低，电阻温度系数一般为-(1- 6)%/，采用热敏电阻，瞬间限流效果好，由于电源的启动并运行， 电阻发热量较大，热敏电阻器的阻值能够迅速减小，功耗能够降低。 其主要作用是防止通电瞬间出现过流现象，选用 T5D-11。 3.1.2 EMI 滤波器设计3.1.2 EMI 滤波
9、器设计 一般抑制电磁干扰主要为差模和共模干扰。差模干扰产生于两条 电源线之间，信号相对参考点大小相等，方向相反；共模干扰产生于 电源线和大地之间，信号相对参考点大小、方向都相同。由于两种干 扰是同时存在的，并且共模比差模更容易引起电磁干扰，所以在开关 电源设计 EMI 滤波器主要还是抑制共模干扰信号。 电路中包括共模电感、电容 C1、C2 为 Y 电容,选取 3300Pf/1Kv 的瓷 片电容,C3、C4 选取安规电容 0.33u/275v。泄放电阻 R1、R2 用于防 止断电后 C3 电容放电至电源接口。L 共模电感是在一个磁环上，绕 着匝数相同、方向相反的两个绕组，当共模信号电流流过时，线
10、圈上 的磁场增强， 对共模信号产生了很大的感抗， 起到了很大的抑制作用。 共模电感选型 UU10.5-10mH min-1.0A。 3.1.3 整流电路设计3.1.3 整流电路设计 整流桥电路如下图所示： 经整流桥输出后电压为 310v 直流电，当输入电源的正半周，D1、D3 导通，D2、D4 截止，在输出的电压上形成上面正电压下面负电压的 半波整流电压，当输入电源为负半周时导通和截止状态相反，即 D2、 D4 导通 D1、D3 截止，同理得到另一半波整流电压，于是得到一个与 全波整流相同的电压波形。整流桥选型为 GBJ2508。 3.1.4 功率因数校正电路3.1.4 功率因数校正电路 功率
11、因数校正采用飞兆半导体公司推出的高集成度电源芯片 FAN7527B， 该芯片工作时电流小， 最大不超过8mA， VCC启动门限为12V， 关闭电压最大值是 9V， 启动电流典型值为 60A 最大不超过 100A。 采用 8 引脚的 DIP 和 SOP 封装，其引脚排列如图所示，引脚功能介绍 如表所示。 序号引脚功能 1INV放大器的反相输入端，电压经过电阻分压 2.5V 到 此管脚 2EA_OUT放大器的输出端， 与 INV 端口连接电容形成补偿网 络 3MULT乘法器的输入端，与整流输出的分压电压连接 4CSPWM 比较器输入脚。采样 MOS 管的电压值，连接于 比较器，内置的滤波器减小高频
12、噪声 5IDET零电流检测端 6GND地 7OUT驱动输出。 推挽式输出可以驱动开关管的最高电流 为 500mA 8VCC芯片电源端 3.1.5FAN7527B 工作原理分析3.1.5FAN7527B 工作原理分析 （1）启动过程 在接通电源瞬间，电容 C6 通过电阻 R1 实现充电。当电容的电压值升 高到芯片的启动电压后，芯片导通，并驱动开关管。在芯片导通后， 随着电流的增加电容开始放电。在电容 C 上的电压降低过程中，电感 器上的感应电压通过二极管 D 的整流作用，连接到 Vcc 脚，使 Vcc 升 高到所需要的电平。 （2）过电压保护和误差放大器 PFC 输出电压 Vo 经电阻进行采样，
13、送入电压误差放大器的反相输入 端，误差放大器同相输入端有 2.5V 的基准电压。放大器输出与乘法 器相连，控制器的外部有电容电阻等零极点补偿元件。误差放大器的 输出有 1.8V 的参考电压实现过电压保护，当负载出现异常，误差放 大器输出端电压幅值低于 1.8V，过电压比较器被触发，驱动器将被 关闭。 （3）乘法器 乘法器是整个功率因数校正器的核心，它为内部的电流回路提供 参考电流，用来控制转换器的输入电流（经整流后），使电路产生所 期望的幅值和波形，并得到高的功率因数。设乘法器的增益为 K，输 出电压如下所示： 其中 Vm1 为 3 脚的采样电压，用分压电阻获得，Vm2 为误差放大 器的输出，
14、 Vref 为基准电压。 由于输入电压的波形是正弦电压， Boost 电感的峰值电流保证在每时刻都跟踪输入正弦电压的波形轨迹， 促使 输入的电流相位和波形与输入的正弦电压相同。 (4)电流感测比较器 流过开关管的电流在电流采样电阻上转换为电压值加到芯片的 4 脚上，如果 4 脚上的电压大于电流感测比较器的门限，则停止驱动开 关管的 PWM 信号。 （5）零电流检测器 FAN7527B 采用峰值电流模式进行控制， 零电流检测使得开关管导 通，采用 Boost 电感的峰值电流达到门限值而将开关管关断。电感电 流降至零时， 通过 FAN7527B 的 5 脚 Idet 的电感器副绕组电压极性的 反转
15、进行检测，进行 PWM 控制，使 MOSFET 再次导通。当电感电流沿 向上的斜坡从零增加到峰值之后，MOSFET 关断，直到电感电流下降 为零。 (6) 驱动输出 FAN7527B 包含一个图腾柱（带高电平钳位）的输出级，专门针对 功率 MOSFET 的直接驱动而设计的。 输出能力高达 500mA 峰值电流， 典 型的上升和下降时间分别为 130ns、50ns。 3.1.6 BOOST PFC 主要元器件参数设计3.1.6 BOOST PFC 主要元器件参数设计 （1）功率因数校正电路的主要指标 额定输出功率：在考虑效率的前提下，电路额定输出功率设为 Pout=100W 宽电压输入：Vin=
16、85Vac265Vac； 电网频率：50Hz； 输出电压 Vo：Vomax=400V； 效率 ：90%； 功率因数：0.98； 输出最小电压：Voutmin=150V； 开关频率的最小值：fswmin=34kHz； PFC 输出电流有效值为： A V P I25. 0 400 100 out out out 输入最大功率 W P P 1 . 111 %90 100 out in 输入平均电流 A PFV P I33 . 1 98 . 0 85 1 . 111 acmin in in 升压电感峰值电流 AII77 . 3 33 . 1 2222 inpk 电感 L 最大电流有效值 A I I66 . 2 2 53 . 1 2 pk rms BOOST 升压电感设计 方案采用 Boost 电感在电流连续模式下，其电感值与输出功率、最小 开关频率有关系，其具体公式如下： 开关周期 Ts 为： 当 sinwt=0 时，开关周期最大，由上式得电感 L 表示式为： 代入数据 L=660uh 升压电感器 L 的线圈匝数为： 流过 mos 管最
