必易微單相交流電機立扇解決方案

概述

風(fēng)扇在我們的日常生活中發(fā)揮著重要的作用，且便宜、安裝方便、擺放容易。隨著人們生活水平的提高，風(fēng)扇的設(shè)計已經(jīng)趨向節(jié)能化、智能化、多功能化。傳統(tǒng)方案的能耗和電磁噪音已經(jīng)不能滿足日益激烈的市場競爭，傳統(tǒng)機械開關(guān)調(diào)速最低擋位轉(zhuǎn)速依然超過額定轉(zhuǎn)速的一半，這更無法滿足日益增長的體驗需求。

傳統(tǒng)立扇解決方案

傳統(tǒng)立扇方案主要采用抽頭調(diào)速方法，通過機械調(diào)速開關(guān)改變主繞組與輔助繞組接線方式，產(chǎn)生互相抵消的磁場實現(xiàn)單相交流電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。一般抽頭調(diào)速的風(fēng)扇電機是基于滿載工況優(yōu)化設(shè)計，在電機高擋位運轉(zhuǎn)時，繞組磁場接近正交的圓形，噪音和效率表現(xiàn)相對較好，而中低擋位時主繞組和副繞組的結(jié)構(gòu)被改變，繞組合成磁場偏向橢圓，電機運行失去對稱性，轉(zhuǎn)矩脈動分量增加。并且中低擋位工況下，運行繞組溫升更高，電機偏離了原有優(yōu)化的狀態(tài)，其輸入功率也沒有成比例下降，還經(jīng)常伴隨著惱人的電磁噪音。從某種意義來說，抽頭調(diào)速是靠繞組間“出力抵消“，消耗能量來達(dá)到調(diào)速目的。此外，因為多抽頭繞組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實際生產(chǎn)中電機定子繞線需要人工配合，不利于電機標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。

圖1 風(fēng)扇傳統(tǒng)多繞組機械抽頭調(diào)速解決方案

必易微單相交流電機立扇解決方案

為了解決傳統(tǒng)交流電機噪音大，能效低，擋位有限等問題，必易微首推直接交流-交流變換器 (DAAC?) 調(diào)速方案，將輸入正弦交流電壓轉(zhuǎn)換成正弦包絡(luò)的高頻交流斬波電壓。與傳統(tǒng)抽頭方案調(diào)速不同的是，必易微 DAAC? 方案的高頻開關(guān)分量可以很容易被感性的電機繞組濾除，只保留低失真的正弦電壓，可實現(xiàn)全負(fù)載靜音高效運行。同時，必易微 DAAC? 方案天然支持輸出斬波占空比無級調(diào)速。

圖2 直接交流-交流轉(zhuǎn)換器 DAAC?

KP86202SG 是一款集成 DAAC? 控制算法的單相交流電機控制器。圖 3 是基于該控制器的交流立扇方案。主控芯片 KP86202SG 通過輔助芯片 KP49101VP 獲取交流供電電壓和電流檢測信號，產(chǎn)生 12V 和 5V 電壓，給整個系統(tǒng)供電。KP86202SG 主控芯片接收來自單片機的調(diào)速 PWM 信號，產(chǎn)生兩組半橋互補的驅(qū)動信號以輸出到功率級高壓 MOS，將輸入的交流電壓轉(zhuǎn)換成占空比可控的正弦包絡(luò)交流電壓驅(qū)動電機運行。單片機除了產(chǎn)生調(diào)速指令信號之外，還接收處理紅外和觸摸按鍵等信息，實現(xiàn)數(shù)碼管，LED 界面顯示以及搖頭電機的控制。值得一提的是，可控硅采用非隔離驅(qū)動技術(shù)，可省去成本較高的光耦可控硅。

圖3 必易微立扇解決方案示意圖

圖 4 為必易微單相交流電機立扇解決方案實物結(jié)構(gòu)，從左到右分別為驅(qū)動搖頭電機的非隔離可控硅驅(qū)動、DAAC? 主功率電路 (正反面共 4 顆)、信號處理供電芯片KP49101VP、必易微 KP86202SG 芯片、觸控彈簧、數(shù)碼管數(shù)顯、紅外接收頭、LED 燈、EMC 濾波電路。

圖4 必易微立扇解決方案實物圖

KP86202SG 方案特點 1：

更優(yōu)性價比——高壓自供電，無需低壓電源

圖5?KP86202SG 高壓自供電電路

傳統(tǒng)典型輔助供電電路采用整流橋將交流市電轉(zhuǎn)換為高壓直流電后，再由高壓 Buck 降壓為低壓直流電，所需元器件多，占據(jù) PCB 空間大，成本高。必易微 KP86202SG 高壓自供電采用公頻斬波谷底取電的方式，降低了內(nèi)部高壓 LDO 等效輸入電壓，大大減少了輔助供電的損耗，外圍只需要三個元器件 (供電 IC 同時用于供電和電流檢測) 即可對外提供 12V，高達(dá) 28mA (輸入110Vac) 電流，同時可以給 MCU 和外圍供電，可滿足大部分應(yīng)用需求。

KP86202SG 方案特點 2：

低噪音 (THD<1.5%)——軟啟動算法，減少啟動噪音，純圓磁場調(diào)速，電磁噪音小

必易微單相交流電機立扇解決方案采用的 DAAC? 架構(gòu)對電機負(fù)載全工況范圍提供可調(diào)的低失真度交流正弦電壓。這種調(diào)壓調(diào)速方式不破壞電機在額定優(yōu)化條件的繞組結(jié)構(gòu)和電氣參數(shù)，中低速工況下可以最大程度保證主繞組和輔助繞組的對稱性運行。接近圓形的磁場和低諧波電壓讓電機運行地更加安靜。圖 6 是 DAAC? 驅(qū)動下必易微立扇電機的輸入電壓波形 (粉紅) 和電機輸入電流波形 (青色)；表 1 則給出了一個典型的 DAAC? 轉(zhuǎn)換效率，功率因數(shù)以及 THD 測試結(jié)果。從實驗結(jié)果可以看出 DAAC?具有優(yōu)異的 PF 和 THD 表現(xiàn)。

圖6 立扇電機典型工作輸出電壓電流波形

表1 一個典型的 DAAC? 轉(zhuǎn)換效率，功率因數(shù)以及 THD 測試結(jié)果

KP86202SG 方案特點 3：

高效無級調(diào)速——比傳統(tǒng)方案更高的效率和更寬的調(diào)速范圍

圖 7 給出了一臺 36W 立扇單相交流電機的輸入功率隨轉(zhuǎn)速變化的對比曲線，其中藍(lán)色曲線和紅色曲線分別對應(yīng)傳統(tǒng)抽頭方案和必易微立扇 DAAC? 調(diào)速方案。作為對比參照，采用傳統(tǒng)抽頭方案進行調(diào)速，難以實現(xiàn)深度調(diào)速，最低轉(zhuǎn)速依然超過額定轉(zhuǎn)速的一半。并且傳統(tǒng)抽頭調(diào)速方案高擋位也只能離散三檔調(diào)速。抽頭調(diào)速方案的中低擋位采用機械開關(guān)改變電機繞組結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生抵消磁場來降低轉(zhuǎn)速，會使噪音增大，效率降低，若采用傳統(tǒng)抽頭調(diào)速繼續(xù)降低轉(zhuǎn)速，繞組會有過熱燒壞風(fēng)險。必易微立扇-DAAC? 方案則可以輕松實現(xiàn)從滿載到深度輕載轉(zhuǎn)速高效率、均勻平滑變化。對于調(diào)速深度而言，基于 DAAC? 調(diào)速方案的最低轉(zhuǎn)速可達(dá)到 200 轉(zhuǎn)/min (輸入功率 5W) 甚至更低，而作為對比的傳統(tǒng)方案的最低擋位仍超過額定功率一半的 850 轉(zhuǎn)/min (輸入功率26W)。在同樣 850 轉(zhuǎn)/min 的轉(zhuǎn)速下，DAAC? 方案只需要 17W，輸入功率比傳統(tǒng)方案的 26W 整整減少了 35%。

圖7 調(diào)速曲線對比

KP86202SG 方案特點 4：

更優(yōu) EMC 性能——輸出集成抖頻功能

KP86202SG 內(nèi)置抖頻功能，輸出 PWM 開關(guān)頻率為 20±2 kHz。抖頻功能增強了系統(tǒng)的 EMC 表現(xiàn)，在同樣的測試條件下，采用必易微集成抖頻功能方案的 DAAC? 控制方案，可比未集成抖頻功能方案的 EMC 裕量更大。

圖8 必易微立扇方案 EMC 表現(xiàn)

KP86202SG 方案特點 5：

低功耗低成本非隔離搖頭電機驅(qū)動

KP86202SG 采用高頻高壓電荷泵可控硅驅(qū)動技術(shù)，如圖 9，電路分為三個部分，第一部分為四個 MOS 管構(gòu)成 DAAC? 主功率部分，第二部分為搖頭電機和可控硅構(gòu)成的搖頭電機回路，第三部分為可控硅驅(qū)動電路。輸入的高頻信號通過高壓 Y 電容 C1 耦合兩個二極管的中點，經(jīng)過二極管整流，可控硅門級構(gòu)成回路，電流方向為門級負(fù)方向，可控硅工作在二三象限，當(dāng)高頻信號撤除的時候，回路電流消失，可控硅自然關(guān)斷。

優(yōu)點 1：傳統(tǒng)可控硅驅(qū)動方案典型工作在一四象限，所需驅(qū)動電流大（>5mA），必易微可控硅驅(qū)動方案，工作在二三象限，所需驅(qū)動電流小于 2mA。

優(yōu)點 2：相對于傳統(tǒng)光耦隔離驅(qū)動方案，必易微采用專利的浮地可控硅驅(qū)動方案。

優(yōu)點 3：傳統(tǒng)的可控硅驅(qū)動方案所需元器件多，必易微專利可控硅驅(qū)動方案僅需一個 Y 電容和兩個低壓二極管！

圖9 必易微立扇方案搖頭電機驅(qū)動示圖

總結(jié)

必易微 KP86202SG 基于 DAAC? 架構(gòu)的單相交流電機無級調(diào)速控制器集成高壓自供電，提供電源 12V/5V 兩路電源輸出，低噪音、高效率、高功率因數(shù)，具有過流過溫等多種保護功能，更加可靠，性能更優(yōu)，是單相交流電機立扇方案的首選。