必易微单相交流电机立扇解决方案

概述

风扇在我们的日常生活中发挥着重要的作用，且便宜、安装方便、摆放容易。随着人们生活水平的提高，风扇的设计已经趋向节能化、智能化、多功能化。传统方案的能耗和电磁噪音已经不能满足日益激烈的市场竞争，传统机械开关调速最低挡位转速依然超过额定转速的一半，这更无法满足日益增长的体验需求。

传统立扇解决方案

传统立扇方案主要采用抽头调速方法，通过机械调速开关改变主绕组与辅助绕组接线方式，产生互相抵消的磁场实现单相交流电机转速调节。一般抽头调速的风扇电机是基于满载工况优化设计，在电机高挡位运转时，绕组磁场接近正交的圆形，噪音和效率表现相对较好，而中低挡位时主绕组和副绕组的结构被改变，绕组合成磁场偏向椭圆，电机运行失去对称性，转矩脉动分量增加。并且中低挡位工况下，运行绕组温升更高，电机偏离了原有优化的状态，其输入功率也没有成比例下降，还经常伴随着恼人的电磁噪音。从某种意义来说，抽头调速是靠绕组间“出力抵消“，消耗能量来达到调速目的。此外，因为多抽头绕组结构复杂，实际生产中电机定子绕线需要人工配合，不利于电机标准化生产。

图1 风扇传统多绕组机械抽头调速解决方案

必易微单相交流电机立扇解决方案

为了解决传统交流电机噪音大，能效低，挡位有限等问题，必易微首推直接交流-交流变换器 (DAAC™) 调速方案，将输入正弦交流电压转换成正弦包络的高频交流斩波电压。与传统抽头方案调速不同的是，必易微 DAAC™ 方案的高频开关分量可以很容易被感性的电机绕组滤除，只保留低失真的正弦电压，可实现全负载静音高效运行。同时，必易微 DAAC™ 方案天然支持输出斩波占空比无级调速。

图2 直接交流-交流转换器 DAAC™

KP86202SG 是一款集成 DAAC™ 控制算法的单相交流电机控制器。图 3 是基于该控制器的交流立扇方案。主控芯片 KP86202SG 通过辅助芯片 KP49101VP 获取交流供电电压和电流检测信号，产生 12V 和 5V 电压，给整个系统供电。KP86202SG 主控芯片接收来自单片机的调速 PWM 信号，产生两组半桥互补的驱动信号以输出到功率级高压 MOS，将输入的交流电压转换成占空比可控的正弦包络交流电压驱动电机运行。单片机除了产生调速指令信号之外，还接收处理红外和触摸按键等信息，实现数码管，LED 界面显示以及摇头电机的控制。值得一提的是，可控硅采用非隔离驱动技术，可省去成本较高的光耦可控硅。

图3 必易微立扇解决方案示意图

图 4 为必易微单相交流电机立扇解决方案实物结构，从左到右分别为驱动摇头电机的非隔离可控硅驱动、DAAC™ 主功率电路 (正反面共 4 颗)、信号处理供电芯片KP49101VP、必易微 KP86202SG 芯片、触控弹簧、数码管数显、红外接收头、LED 灯、EMC 滤波电路。

图4 必易微立扇解决方案实物图

KP86202SG 方案特点 1：

更优性价比——高压自供电，无需低压电源

图5 KP86202SG 高压自供电电路

传统典型辅助供电电路采用整流桥将交流市电转换为高压直流电后，再由高压 Buck 降压为低压直流电，所需元器件多，占据 PCB 空间大，成本高。必易微 KP86202SG 高压自供电采用公频斩波谷底取电的方式，降低了内部高压 LDO 等效输入电压，大大减少了辅助供电的损耗，外围只需要三个元器件 (供电 IC 同时用于供电和电流检测) 即可对外提供 12V，高达 28mA (输入110Vac) 电流，同时可以给 MCU 和外围供电，可满足大部分应用需求。

KP86202SG 方案特点 2：

低噪音 (THD<1.5%)——软启动算法，减少启动噪音，纯圆磁场调速，电磁噪音小

必易微单相交流电机立扇解决方案采用的 DAAC™ 架构对电机负载全工况范围提供可调的低失真度交流正弦电压。这种调压调速方式不破坏电机在额定优化条件的绕组结构和电气参数，中低速工况下可以最大程度保证主绕组和辅助绕组的对称性运行。接近圆形的磁场和低谐波电压让电机运行地更加安静。图 6 是 DAAC™ 驱动下必易微立扇电机的输入电压波形 (粉红) 和电机输入电流波形 (青色)；表 1 则给出了一个典型的 DAAC™ 转换效率，功率因数以及 THD 测试结果。从实验结果可以看出 DAAC™具有优异的 PF 和 THD 表现。

图6 立扇电机典型工作输出电压电流波形

表1 一个典型的 DAAC™ 转换效率，功率因数以及 THD 测试结果

KP86202SG 方案特点 3：

高效无级调速——比传统方案更高的效率和更宽的调速范围

图 7 给出了一台 36W 立扇单相交流电机的输入功率随转速变化的对比曲线，其中蓝色曲线和红色曲线分别对应传统抽头方案和必易微立扇 DAAC™ 调速方案。作为对比参照，采用传统抽头方案进行调速，难以实现深度调速，最低转速依然超过额定转速的一半。并且传统抽头调速方案高挡位也只能离散三档调速。抽头调速方案的中低挡位采用机械开关改变电机绕组结构，产生抵消磁场来降低转速，会使噪音增大，效率降低，若采用传统抽头调速继续降低转速，绕组会有过热烧坏风险。必易微立扇-DAAC™ 方案则可以轻松实现从满载到深度轻载转速高效率、均匀平滑变化。对于调速深度而言，基于 DAAC™ 调速方案的最低转速可达到 200 转/min (输入功率 5W) 甚至更低，而作为对比的传统方案的最低挡位仍超过额定功率一半的 850 转/min (输入功率26W)。在同样 850 转/min 的转速下，DAAC™ 方案只需要 17W，输入功率比传统方案的 26W 整整减少了 35%。

图7 调速曲线对比

KP86202SG 方案特点 4：

更优 EMC 性能——输出集成抖频功能

KP86202SG 内置抖频功能，输出 PWM 开关频率为 20±2 kHz。抖频功能增强了系统的 EMC 表现，在同样的测试条件下，采用必易微集成抖频功能方案的 DAAC™ 控制方案，可比未集成抖频功能方案的 EMC 裕量更大。

图8 必易微立扇方案 EMC 表现

KP86202SG 方案特点 5：

低功耗低成本非隔离摇头电机驱动

KP86202SG 采用高频高压电荷泵可控硅驱动技术，如图 9，电路分为三个部分，第一部分为四个 MOS 管构成 DAAC™ 主功率部分，第二部分为摇头电机和可控硅构成的摇头电机回路，第三部分为可控硅驱动电路。输入的高频信号通过高压 Y 电容 C1 耦合两个二极管的中点，经过二极管整流，可控硅门级构成回路，电流方向为门级负方向，可控硅工作在二三象限，当高频信号撤除的时候，回路电流消失，可控硅自然关断。

优点 1：传统可控硅驱动方案典型工作在一四象限，所需驱动电流大（>5mA），必易微可控硅驱动方案，工作在二三象限，所需驱动电流小于 2mA。

优点 2：相对于传统光耦隔离驱动方案，必易微采用专利的浮地可控硅驱动方案。

优点 3：传统的可控硅驱动方案所需元器件多，必易微专利可控硅驱动方案仅需一个 Y 电容和两个低压二极管！

图9 必易微立扇方案摇头电机驱动示图

总结

必易微 KP86202SG 基于 DAAC™ 架构的单相交流电机无级调速控制器集成高压自供电，提供电源 12V/5V 两路电源输出，低噪音、高效率、高功率因数，具有过流过温等多种保护功能，更加可靠，性能更优，是单相交流电机立扇方案的首选。