新一代吊扇与排气扇利用 无刷直流 驱动技术提升效率并实现高功率因数

新一代吊扇的关键要求包括高效、高功率因数 (PF) 与低输入电流总谐波失真 (THD)。因此，其设计针对无刷直流 (BLDC) 吊扇与基于功率因数控制 (PFC) 的输入功率级设有一个驱动。

BLDC驱动具有传统上使用的分立电路，包括高端微控制器、栅极驱动器、分立MOSFET、一个辅助电源以及传感与保护电路。TI的DRV10983为高度集成受保护型单片无传感器正弦波BLDC电机控制器，可取代BLDC驱动的全部电路。这使基于DRV10983的BLDC驱动卓具成本效益并易于制造。

TI的电源操作式24V、30W BLDC电机驱动采用高效、高功率因数电源参考设计，利用该单片解决方案针对低于30 W的吊扇应用实现完整的即时适应型驱动。输入功率级提供91.5%的峰值效率并在大范围输入电压下实现大于0.95的功率因数。电源基于单级buck PFC拓扑，不仅有助于满足需要的规格，而且优化系统成本。

图 1：TI设计电路板图片：电源操作式24V、30W BLDC电机驱动，采用高效、高功率因数电源 (TIDA-00652)

电路说明

如图2所示，电路板包含一个可将85-230V 50/60Hz输入转化为24VDC输出的buck PFC功率级。UCC28180脉宽调制 (PWM) 集成电路 (IC) 控制功率级。由功率级生成的24VDC向DRV10983供电，后者转而驱动外部BLDC电机以控制其转速。

DRV10983还生成一个3.3V电源，向超低功耗MSP430™微控制器 (MCU) 供电。MSP430 MCU基于从红外 (IR) 传感器接收的信号，将转速参考以1.5 kHz PWM信号（产生与理想转速成比例的占空比）的形式传送至DRV10983，该装置进而通过多用途IR遥控器启用。MSP430固件可轻松针对任何遥控按钮进行调适。

 

图 2：TIDA-00652 电路说明

为什么采用24VDC而非400VDC？

商业吊扇的BLDC驱动可采用一个介于5V和400V之间的任意直流电压。但如果功率为需要的30W额定功率并可采用完全集成式驱动解决方案，就成本与复杂性而言，选择24VDC解决方案是有利的。

拓扑选择

基于24VDC的系统是明显适合该应用的选择。但你需要思考哪种类型的电源拓扑可从通用输入交流电压 (85-265VAC) 生成此24VDC电源。

拓扑选择的两个主要驱动因素是成本与性能。两级拓扑包含一个将一般输入电压转化400VDC的升压PFC电路，其后是一个将400VDC转化为24VDC的DC/DC电源，将提供最佳PF与THD性能。然而，此类电源的成本将会较高但效率较低。因此，采用单片驱动解决方案降低成本的想法将被双级解决方案否定。

另一项可供选择的方案是反激PFC拓扑。虽然比起两级解决方案，此方案是更适合该应用的选择，但也存在低效与高成本问题。

就PFC、THD性能与成本而言，buck PFC电路似乎是理想选择。作为单级拓扑，它还可提供更高效率。

图3所示为buck PFC电路的电路图，并提供一些描述电路操作的重要波形。有趣的是，该设计利用连续导通模式升压PFC集成电路 (UCC28180) 实现不连续导通模式buck PFC拓扑。其可行性主要归因于UCC28180提供的灵活性。选择如此广泛应用的集成电路还可提供成本优化的解决方案。

 

图3：buck PFC拓扑的电路图

图4所示为30W buck PFC电源的效率性能曲线。其效率在230VAC标称操作时为91.5%，这对于考虑中的功率级 (<30W) 有益。

图 4：效率性能曲线

图5与图6所示分别为转换器的输入PF与THD性能。

图 5：输入PF性能曲线 

图 6：输入电流THD性能曲线 

总之，在涉及诸如新一代现代吊扇与排气扇等低功耗BLDC驱动的应用中，buck PFC解决方案可提供最佳性能指标并成为前端电源的最佳选择。

更多信息：

来自TI的吊扇与其他风扇解决方案。

查阅另一博文中的吊扇设计：

Milan Rajne提供的设计与节能型BLDC吊扇解决方案 

TI电机驱动与控制解决方案概述

原文链接：

https://e2e.ti.com/blogs_/b/motordrivecontrol/archive/2016/03/10/as-the-ceiling-fan-turns-next-generation-bldc-fans-leverage-power-factor-control-to-increase-efficiency