CN108448899B - 降本又节能bldc电机隔离电源结构的电压调配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供降本又节能BLDC电机隔离电源结构的电压调配方法，隔离电源结构包括电源整流模块，初级绕组模块，辅助绕组模块，次级5V绕组模块，变压器，节能电子开关模块，BLDC直流无刷电机接口。本发明提供的开关电源的变压器结构包含：初级绕组、辅助绕组、次级5V绕组；比常规设计节省次级15V绕组的铜线，节约材料资源，也减小变压器的尺寸，同时节省15V绕组的整流、滤波、稳压电路的所有元器件材料，降低电路设计成本，减小电路板的元器件占用面积，最终降低产品成本，达到了降本的优化设计。

Description

降本又节能BLDC电机隔离电源结构的电压调配方法
技术领域
本发明涉及BLDC电机电源电路，特别涉及降本又节能BLDC电机隔离电源结构的电压调配方法。
背景技术
BLDC直流无刷电机接口包含5根线：310V、PGND、15VDC、VSP、FG；其中：310V：220V电源输入时经过整流滤波之后大约就是310VDC高压，作为BLDC电机的主要动力源；PGND：作为公共地，要求这5根线都要以PGND为公共地；15VDC：BLDC电机内部控制IC供给电源；一般待机功耗0.4W左右；VSP：由外部应用控制电路提供给BLDC电机的调速电压；FG：BLDC电机输出的转速脉冲信号，供给外部控制电路作转速侦测。
现有技术中，一般采用如图1所示的隔离型开关电源电路，此开关电源结构相关说明和问题描述如下：
(1)开关变压器包含：初级绕组、辅助绕组、次级15V绕组、次级5V绕组；
(2)BLDC电机要求15VDC和310VDC共地(如图1中的PGND)，因此次级15V绕组和初级绕组必须是共地才能正常驱动BLDC直流无刷电机；
(3)BLDC电机的15VDC工作最大电流一般在30mA以内，是比较小的电流；
(4)次级5V绕组用于控制BLDC电机工作的单片机相关电路，和15VDC、310VDC之间是安全隔离式(如图1中的GND)；
(5)辅助绕组主要用于给电源管理IC(如上图中的IC2)提供工作电压，一般工作电流在1mA-5mA左右，很小的电流；
(6)初级绕组是开关电源固有的，主要用于储能，是开关电源输出的主要能量供应来源；
(7)在15VDC电源在没有断开的情况下，只要15VDC电源输入BLDC电机哪怕BLDC电机处于停止状态下仍然会消耗大约0.4W，这正是当前普遍存在的BLDC电机电源的一个现象，这无疑是一种电量资源的浪费，违背了节能减耗的环保设计理念。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供降本又节能BLDC电机隔离电源结构的电压调配方法，所述隔离电源结构包括电源整流模块，初级绕组模块，辅助绕组模块，次级5V绕组模块，变压器，节能电子开关模块，BLDC直流无刷电机接口；
电源整流模块包括交流输入模块、EMI滤波模块、交流整流模块和直流滤波模块，交流电源经过电源整流模块形成310VDC；
所述变压器包括初级绕组、辅助绕组和次级5V绕组；
所述初级绕组耦合至所述初级绕组模块；所述初级绕组的其中一端连接至310VDC，另一端和二极管D2的阳极共同连接至单片机的第5脚和第6脚；电阻R11连接于310VDC与所述二极管D2的阴极之间；电阻R2与电容C1串联后连接于310VDC与所述二极管D2的阴极之间；
所述辅助绕组耦合至所述辅助绕组模块；辅助绕组的其中一端连接于二极管D3的阳极，另一端与电解电容EC2的阴极共同连接至PGND端和单片机的第7脚和第8脚；所述二极管D3和所述电解电容EC2的阳极共同连接至VDD端；VDD与单片机的第2脚之间串联R6；VDD与单片机的第3脚之间串联R5；
所述次级5V绕组耦合至次级5V绕组模块；所述次级5V绕组模块用于控制BLDC电机工作的单片机和15VDC、310VDC之间是安全隔离式；
所述节能电子开关模块包括三极管Q9和光耦合器OP4；三极管的发射极连接VDD；三极管Q9的集电极连接15VDC；三极管Q9的集电极与基极之间串联有电阻R43；三极管Q9的集电极通过电阻R41连接至光耦合器OP4的副边三极管的集电极；副边三极管的发射极接PGND；光耦合器OP4的原边二极管的阳极通过电阻R37连接+5V；原边二极管的阴极连接控制信号CTL-15VDC；
BLDC直流无刷电机接口包括PG1，VSP1,15VDC，PGND和310VDC；PGND与310VDC之间串联有电容C15；
所述电压调配方法包括：
测试产品待机、BLDC电机运转和其它负荷状态下的开关电源辅助绕组输出电压数据记录；
通过开关电源辅助绕组输出电压数据记录调节辅助绕组的匝数；
通过调整辅助绕组的匝数，使辅助绕组的输出电压输出为14.5～17.0V。
进一步地，所述次级5V绕组耦合至所述次级5V绕组模块；次级5V绕组的其中一端连接于二极管D4的阳极，另一端与电解电容EC3的阴极和电解电容EC4的阴极连接并接地；二极管D4的阴极与电解电容EC3的阳极和电解电容EC4的阳极连接；
二极管D4的阴极通过电阻R15连接至光耦合器OP1的原边二极管的阳极；光耦合器OP1的原边二极管的阴极接地；光耦合器OP1的副边三极管的集电极连接至单片机的第1脚；光耦合器OP1的副边三极管的发射极接PGND；光耦合器OP1的副边三极管的集电极和发射极之间串联电容C1。
进一步地，电解电容EC3的阳极和电解电容EC4的阳极之间设有电感L4；电解电容EC4的阳极与地之间设有电阻R13和电阻R17；稳压管IC3的阳极连接于电阻R13和电阻R17之间；稳压管IC3的阳极接地；电阻R16与电阻R17并联连接；稳压管IC3的阴极与光耦合器OP1的原边二极管的阴极连接；电阻R13和电阻R17之间同稳压管IC3的阴极串联有电容C5和电阻R16；光耦合器OP1的原边二极管的阳极与阴极之间设有电阻R14。
本发明提供的降本又节能BLDC电机隔离电源结构的电压调配方法中隔离电源结构包括开关电源的变压器结构，开关电源的变压器结构包含：初级绕组、辅助绕组、次级5V绕组；比常规设计节省次级15V绕组的铜线，节约材料资源，也减小变压器的尺寸，同时节省15V绕组的整流、滤波、稳压电路的所有元器件材料，降低电路设计成本，减小电路板的元器件占用面积，最终降低产品成本，达到了降本的优化设计。本发明通过设计一组15VDC电源电子开关电路，其控制信号CTL-15VDC受单片机的控制来实施BLDC电机15VDC电源的接通和断开控制，达到了节能的优化设计。一方面实施降本的优化设计，另外一方面实施节能的优化设计，最终实现一种全新环保理念上的降本又节能BLDC直流无刷电机专用安全隔离式开关电源电路上的设计。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中BLDC电机隔离电源结构示意图；
图2为本发明提供的降本又节能BLDC电机隔离电源结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图2所示：本发明提供降本又节能BLDC电机隔离电源结构的电压调配方法，所述隔离电源结构包括电源整流模块，初级绕组模块，辅助绕组模块，次级5V绕组模块，变压器，节能电子开关模块，BLDC直流无刷电机接口；
电源整流模块包括交流输入模块、EMI滤波模块、交流整流模块和直流滤波模块，交流电源经过电源整流模块形成310VDC；
所述变压器包括初级绕组、辅助绕组和次级5V绕组；
所述初级绕组耦合至所述初级绕组模块；所述初级绕组的其中一端连接至310VDC，另一端和二极管D2的阳极共同连接至单片机的第5脚和第6脚；电阻R11连接于310VDC与所述二极管D2的阴极之间；电阻R2与电容C1串联后连接于310VDC与所述二极管D2的阴极之间；
所述辅助绕组耦合至所述辅助绕组模块；辅助绕组的其中一端连接于二极管D3的阳极，另一端与电解电容EC2的阴极共同连接至PGND端和单片机的第7脚和第8脚；所述二极管D3和所述电解电容EC2的阳极共同连接至VDD端；VDD与单片机的第2脚之间串联R6；VDD与单片机的第3脚之间串联R5；
所述次级5V绕组耦合至次级5V绕组模块；所述次级5V绕组模块用于控制BLDC电机工作的单片机和15VDC、310VDC之间是安全隔离式；
所述节能电子开关模块包括三极管Q9和光耦合器OP4；三极管的发射极连接VDD；三极管Q9的集电极连接15VDC；三极管Q9的集电极与基极之间串联有电阻R43；三极管Q9的集电极通过电阻R41连接至光耦合器OP4的副边三极管的集电极；副边三极管的发射极接PGND；光耦合器OP4的原边二极管的阳极通过电阻R37连接+5V；原边二极管的阴极连接控制信号CTL-15VDC；
BLDC直流无刷电机接口包括PG1，VSP1,15VDC，PGND和310VDC；PGND与310VDC之间串联有电容C15。
优选地，所述次级5V绕组耦合至所述次级5V绕组模块；次级5V绕组的其中一端连接于二极管D4的阳极，另一端与电解电容EC3的阴极和电解电容EC4的阴极连接并接地；二极管D4的阴极与电解电容EC3的阳极和电解电容EC4的阳极连接；
二极管D4的阴极通过电阻R15连接至光耦合器OP1的原边二极管的阳极；光耦合器OP1的原边二极管的阴极接地；光耦合器OP1的副边三极管的集电极连接至单片机的第1脚；光耦合器OP1的副边三极管的发射极接PGND；光耦合器OP1的副边三极管的集电极和发射极之间串联电容C1。
优选地，电解电容EC3的阳极和电解电容EC4的阳极之间设有电感L4；电解电容EC4的阳极与地之间设有电阻R13和电阻R17；稳压管IC3的阳极连接于电阻R13和电阻R17之间；稳压管IC3的阳极接地；电阻R16与电阻R17并联连接；稳压管IC3的阴极与光耦合器OP1的原边二极管的阴极连接；电阻R13和电阻R17之间同稳压管IC3的阴极串联有电容C5和电阻R16；光耦合器OP1的原边二极管的阳极与阴极之间设有电阻R14。
具体实施时，BLDC电机使用的15VDC电源在工作时最大不超过30mA，并且需要和310VDC共地，也就是次级15VDC绕组输出的电源地需要和初级共地，基于这两方面的特点尝试取消掉次级的15VDC绕组和相应的整流滤波和稳压电路，通过采取和电源管理IC共用辅助绕组输出电压的方式方法来实现降本优化设计的BLDC电机专用安全隔离式开关电源全新结构；
在实施15VDC电源共用辅助绕组输出电压的过程中，以下几点需要注意：
(1)BLDC电机使用的15VDC电源一般推荐电压范围在13.5～18.0V而一般设计考虑的更安全电压范围在14.5～17.0V；
(2)通过测试产品在待机、BLDC电机运转和其它负荷状态等情况下的开关电源辅助绕组输出电压高低数据记录并用于调节辅助绕组的匝数，最终为了确保辅助绕组的输出电压适用于BLDC电机更安全的工作电压范围:14.5～17.0V；
(3)当选用电源管理IC型号为:OB25007时，会出现开关电源无法正常启动输出电压的情形，因为这款电源管理IC的低压保护状态解除的电压点超过BLDC电机的设计电压范围，UVLO(OFF)参数范围标准是18.2V，最大可能到20.5V，超过BLDC电机15VDC电源既定的设计安全工作电压范围：14.5～17.0V；
(4)解决以上电压上的冲突办法就是选用合适的电源管理IC型号，比如：OBGZ22AP、OB2338AP等等可适用的型号很多。例如OBGZ22AP的UVLO(OFF)参数范围为14.6-17.0V，可以和BLDC电机15VDC电源既定的设计安全工作电压范围：14.5～17.0V共用，确保电源管理IC正常同时满足BLDC电机15VDC电源实际工作电压的需求；
BLDC电机待机停止状态下其15VDC电源仍然消耗大约0.4W，通过设计一组15VDC电源节能电子开关来控制15VDC电源的开和关。一般在通电时刻开关电源未完全启动和稳定之前此电子开关保持关断状态；当BLDC电机停止之后要实施电子开关的关断，下次预定启动BLDC电机之前才重新实施电子开关的闭合，最终实现节能型BLDC电机专用安全隔离式开关电源结构；
电子开关的电路原理分析如下:通过光耦OP4隔离控制15VDC输出，启动电机工作前由单片机控制CTL-15VDC信号为低电平时，光耦OP4受控输出低电平，三极管Q9被控制导通，BLDC电机得到15VDC电源；待机或BLDC电机停止状态下控制信号CTL-15VDC为高电平，光耦OP4受控关闭输出，三极管Q9受控截止，BLDC电机断开15VDC电源。
本发明最大的意义就在于突破现有的BLDC直流无刷电机专用安全隔离型开关电源需要4组绕组的结构，改为3组绕组并且仍然保持安全隔离型的开关电源，节省了1组绕组(可能因此减小了变压器尺寸)和相关的整流、滤波、稳压电路、以及减小了占用电路板的面积，实现真正意义上的降本；同时改变传统的BLDC电机15VDC电源没有受控断开的普遍存在现象，实现在待机状态下或者工作中BLDC停止时的15VDC电源受控断开从而带来0.4W左右电量的节约，实现节能减排的环保意义。

Claims (3)

1.降本又节能BLDC电机隔离电源结构的电压调配方法，其特征在于：所述隔离电源结构包括电源整流模块，初级绕组模块，辅助绕组模块，次级5V绕组模块，变压器，节能电子开关模块，BLDC直流无刷电机接口；
电源整流模块包括交流输入模块、EMI滤波模块、交流整流模块和直流滤波模块，交流电源经过电源整流模块形成310VDC；
所述变压器包括初级绕组、辅助绕组和次级5V绕组；
所述初级绕组耦合至所述初级绕组模块；所述初级绕组的其中一端连接至310VDC，另一端和二极管D2的阳极共同连接至单片机的第5脚和第6脚；电阻R11连接于310VDC与所述二极管D2的阴极之间；电阻R2与电容C1串联后连接于310VDC与所述二极管D2的阴极之间；
所述辅助绕组耦合至所述辅助绕组模块；辅助绕组的其中一端连接于二极管D3的阳极，另一端与电解电容EC2的阴极共同连接至PGND端和单片机的第7脚和第8脚；所述二极管D3和所述电解电容EC2的阳极共同连接至VDD端；VDD与单片机的第2脚之间串联R6；VDD与单片机的第3脚之间串联R5；
所述次级5V绕组耦合至次级5V绕组模块；所述次级5V绕组模块用于控制BLDC电机工作的单片机和15VDC、310VDC之间是安全隔离式；
所述节能电子开关模块包括三极管Q9和光耦合器OP4；三极管的发射极连接VDD；三极管Q9的集电极连接15VDC；三极管Q9的集电极与基极之间串联有电阻R43；三极管Q9的集电极通过电阻R41连接至光耦合器OP4的副边三极管的集电极；副边三极管的发射极接PGND；光耦合器OP4的原边二极管的阳极通过电阻R37连接+5V；原边二极管的阴极连接控制信号CTL-15VDC；
BLDC直流无刷电机接口包括PG1，VSP1,15VDC，PGND和310VDC；PGND与310VDC之间串联有电容C15；
所述电压调配方法包括：
测试产品待机、BLDC电机运转和其它负荷状态下的开关电源辅助绕组输出电压数据记录；
通过开关电源辅助绕组输出电压数据记录调节辅助绕组的匝数；
通过调整辅助绕组的匝数，使辅助绕组的输出电压输出为14.5～17.0V。
2.根据权利要求1所述的降本又节能BLDC电机隔离电源结构的电压调配方法，其特征在于：所述次级5V绕组耦合至所述次级5V绕组模块；次级5V绕组的其中一端连接于二极管D4的阳极，另一端与电解电容EC3的阴极和电解电容EC4的阴极连接并接地；二极管D4的阴极与电解电容EC3的阳极和电解电容EC4的阳极连接;
二极管D4的阴极通过电阻R15连接至光耦合器OP1的原边二极管的阳极；光耦合器OP1的原边二极管的阴极接地；光耦合器OP1的副边三极管的集电极连接至单片机的第1脚；光耦合器OP1的副边三极管的发射极接PGND；光耦合器OP1的副边三极管的集电极和发射极之间串联电容C1。
3.根据权利要求2所述的降本又节能BLDC电机隔离电源结构的电压调配方法，其特征在于：电解电容EC3的阳极和电解电容EC4的阳极之间设有电感L4；电解电容EC4的阳极与地之间设有电阻R13和电阻R17；稳压管IC3的阳极连接于电阻R13和电阻R17之间；稳压管IC3的阳极接地；电阻R16与电阻R17并联连接；稳压管IC3的阴极与光耦合器OP1的原边二极管的阴极连接；电阻R13和电阻R17之间同稳压管IC3的阴极串联有电容C5和电阻R16；光耦合器OP1的原边二极管的阳极与阴极之间设有电阻R14。
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