基于TRIAC和ST7LITE微控制器的通用电机速度控制与调光器设计

在电子设备的设计中，如何高效且稳定地控制单相电机或各类交流负载一直是工程师们关注的重点。本文将详细介绍一种基于TRIAC和ST7LITE微控制器的传统设计方案，此方案通过相角调节来实现对负载的控制，并且借助新软件和ST组件得到了显著改进。

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一、方案概述

本方案主要用于控制单相电机或其他交流负载，采用TRIAC或交流开关结合微控制器作为驱动。这种设计方案在家庭电器和工业应用中有着广泛的用途，例如洗衣机的电机调节、吸尘器的控制、灯具的调光、咖啡机的加热以及通风机的电机调节等。与传统的模拟解决方案相比，微控制器设计具有诸多优势，如外部组件更少、通过简单的软件修改即可轻松适配、控制组件可采用电位器或按钮设计、易于实现反馈以及具有更高的灵活性等。

二、评估板介绍

2.1 评估板更替

最初的STEVAL - ILL004V1评估板已被改进后的STEVAL - ILL004V2评估板所取代，因此STEVAL - ILL004V1将不再接受订购。两者的主要区别在于微控制器，STEVAL - ILL004V2使用更小的8引脚ST7ULTRALITE微控制器，而STEVAL - ILL004V1使用16引脚的ST7FLITE09微控制器。

2.2 评估板功能

STEVAL - ILL004V1评估板旨在展示ST公司驱动通用电机或其他交流负载的解决方案。该评估板左侧有两个连接器，分别是用于输入电压的电源连接器和用于连接通用电机的连接器。负载可以通过按钮或电位器进行控制，在连接输入电压之前，需要使用开关S2选择控制方式。需要注意的是，按钮仅用于调节灯泡亮度，而电位器则用于控制电机速度。此外，该评估板还可通过负温度系数（NTC）组件实现温度控制，虽然NTC不是评估板的标准部件，但微控制器具有空闲的ADC转换器（有必要的热敏电阻引脚）。评估板的最大功率范围取决于TRIAC及其散热片的大小，对于高功率（高于350 W）应用，由于功率耗散，需要在TRIAC上使用散热片。

三、相角调节电机控制

3.1 相角调节原理

控制单相电机或交流负载的技术基于相角调节。TRIAC在过零后延迟一段时间，由微控制器发出的控制信号触发导通，并在电流达到零值时自动关断。不过，在过零附近存在一些“导通”限制，当电流低于TRIAC的锁定电流时，无法将负载功率从0调节到100%。

3.2 ACST开关优势

ACST开关系列嵌入了具有高压钳位装置的TRIAC结构，能够吸收电感关断能量并承受线路瞬变，如IEC61000 - 4 - 5标准中所述。使用ACST开关的主要好处包括使设备符合IEC61000 - 4 - 5标准、采用平面技术实现高关断状态可靠性、无需外部过压保护、可直接与微控制器接口以及减少功率组件数量。

四、通用电机速度控制

4.1 控制原理图

该应用的核心是ST7FLITE09微控制器，它通过零交叉检测（ZCD）为TRIAC提供同步信号，根据电位器电压值设置TRIAC的导通时间。由于功耗较低（约5.5 mA），设计中集成了电容式电源，其计算方法将在后续详细介绍。此外，TRIAC在导通和关断时会产生噪声，因此需要在评估板上连接输入电磁干扰（EMI）滤波器。

4.2 应用原理图

在通用电机速度控制应用原理图中，部分组件（如L1、C9、C8和R9）对于电机速度控制并非必需，因此可以不使用。

4.3 EMI滤波器设计

评估板的多功能性允许将EMI滤波器设计为CLC连接（Π元件），以减少从评估板到电源的噪声。对于电机控制应用，仅使用输入电容（如C7 = 470 nF）即可满足要求。如果不需要输入电感，可以使用跳线将其断开。

4.4 TRIAC选择

ST公司提供了一系列无缓冲器的TRIAC，其中缓冲器已集成，无需使用外部组件进行过压保护。对于标准TRIAC，应组装缓冲电路（C8和R9）以防止TRIAC误触发。推荐的TRIAC和交流开关根据不同的应用要求和功率范围进行选择，具体如下表所示：	应用要求	功率	器件	特性
- 高（dI/dt） - 有限冷却条件 - 由于浪涌电流导致的高ITSM（非重复浪涌峰值导通电流）	< 700 W	ACST8 - 8C
< 1200 W	BTB12 - 600BW
T1235H - 600T	高温（TJMAX = 150 °C）
< 1600 W	BTB16 - 600BW
> 1600 W	T1635H - 600T	高温（TJMAX = 150 °C）
调光器应用
应用要求	功率	器件	特性
- 低IH（保持电流 => 灵敏栅极TRIAC）以避免由于LC滤波器振荡导致闪烁风险	60至600 W	BTA08 - 600SW	绝缘交流开关
BTA12 - 600SW	绝缘交流开关
BTB08 - 600SW非绝缘
- 高ITSM（非重复浪涌峰值导通电流）用于冷灯丝效应和灯泡故障时的闪络效应	BTB12 - 600SW非绝缘

4.5 电源电路

电源电路（R6、R7、R10、C4、ZD1、D1和C5）为微控制器供电。如果评估板上同时提供中性线和相线，输入电压为230 V时的最大输出电流为11.08 mA。微控制器的总功耗约为5.5 mA，因此11.08 mA足以满足其供电需求。当调光器关闭时，微控制器进入Halt模式，可实现超低功耗，评估板上微控制器在Halt模式下的功耗为350 µA。对于这种类型的负载（连接通用电机速度控制元件），可以使用较低容量的C4电容（220 nF）。

4.6 零交叉检测器

零交叉检测器由组件R1、R2和C2组成，信号连接到微控制器的PA0端口。评估板上提供了ICC连接器，用于对微控制器进行编程，方便配置开关功能（按钮或电位器）。

4.7 驱动TRIAC

微控制器的几个端口（PA0、PA1、PA2、PA3、PA4和PA5为高灌电流）具有高达20 mA的高电流能力，在某些应用中，仅一个端口的电流就足以直接驱动TRIAC。如果功率不足，可以使用两个跳线将其中三个端口并联配置，此时最大电流能力为60 mA，足以驱动任何类型的TRIAC。

4.8 应用设计步骤

在设计过程中，需要考虑多个因素，包括电源电路、TRIAC功率耗散、ZCD电阻值以及限流电阻（R4）的大小。

4.8.1 电容式电源电路

电容式电源的输出电压在输出电流Iout小于或等于输入电流IN（理想情况下）时保持恒定，IN受R1和C1的电抗限制。R1用于限制浪涌电流，输入电流IN可通过以下公式计算： [I{IN} geq I{OUT}=frac{V{HPINRMS}}{X{C1}+R{1}}=frac{frac{V{RMS}-V{ZD}}{2}}{X{C1}+R{1}}=frac{V{RMS}-V{ZD}}{2 cdotleft(frac{1}{2 pi f C{1}}+R{1}right)}] 当应用中使用的主电压为230 V（230 Vac / 50 Hz）时，最大输出电流为： [I{OUT}=frac{230 - 5.6}{2 cdotleft(frac{1}{2 pi 50 cdot 330 cdot 10^{-9}}+450right)}=11.11 mA] 实际测量的最大电流能力为Iout = 9.5 mA，略低于计算值，因此电容式电源设计需要预留一定的余量（约20%）。当主电压为110 V（110 Vac / 60 Hz）时，最大输出电流为： [I{OUT}=frac{110 - 5.6}{2 cdotleft(frac{1}{2 pi 60 cdot 330 cdot 10^{-9}}+450right)}=6.14 mA] 实际测量值为Iout = 5.6 mA，同样需要预留余量。输出电解电容C2通过二极管D2从齐纳二极管上的电压充电，输出电压为： [V{OUT}=V{ZD}-V{D2}] 电阻R1用于减少浪涌电流，其功率损耗为： [P{R1}=R{1} cdot I^{2}=R1 cdotleft(frac{V{RMS}}{left(frac{1}{2 pi f C{1}}+R_{1}right)}right)^{2}=450 cdotleft(frac{230}{frac{1}{2 pi 50 cdot 330 cdot 10^{-9}}+450}right)^{2}=0.23 W] 为确保温度较低，应用中设计了三个150 Ω的通孔电阻（R6、R7和R10）。

4.8.2 TRIAC功率耗散

计算最大输出功率（最大负载）是设计中的重要任务之一，功率能力主要取决于所使用的TRIAC。该TRIAC的电流能力限制了最大输出功率，设计具有灵活性，设计师可以根据应用需求选择能产生最大输出功率的TRIAC。评估板中内置散热片的16 A BTB16 - 600CW TRIAC可控制高达1 kW的功率。对于功率要求小于1 kW的应用（如调光器），可以使用ACST6 - 7S（ST的6A TRIAC）或类似器件。

4.8.3 散热片尺寸计算

TRIAC中的电流会使其温度升高，如果电流过高（例如ACST6 - 7S超过1.5 A），则需要使用散热片。典型的散热片计算方法如下： [I=frac{P}{U{IN}}=frac{1000}{230}=4.35 A] 其中，P为应用中的输出功率（对于ACST6 - 7S TRIAC为1 kW），因此1 kW时通过TRIAC的RMS电流I为4.35 A。TRIAC的最大功率耗散与RMS导通状态电流（全周期）的关系在ACST6 - 7S数据手册中有描述，4.35 A电流时TRIAC的功率耗散约为4.8 W。使用散热片时的总功率耗散可通过以下公式计算： [P=frac{T{J}-T{A}}{R{thJC}+R{thCH}+R{thHA}}] 其中，TJ为最大结温（°C），TA为环境温度（°C），RthJC为结到壳的热阻（°C / W），RthCH为壳到散热片的热阻（°C / W），RthHA为散热片到环境的热阻（°C / W）。计算出散热片到环境的热阻后，可以根据以下公式选择合适的散热片： [R{thHA} leq frac{T{J}-T{A}-P cdot R{thJC}-P cdot R{thCH}}{P}=frac{125 - 40 - 4.8 cdot 2.5 - 4.8 cdot 0.5}{4.8}=14.7^{circ}C / W] 例如，使用BTB16 - 600CW TRIAC输出3 kW功率时，散热片的热阻为： [R{thHA} leq frac{125 - 40 - 14 cdot 1.2 - 14 cdot 0.5}{14}=4.37^{circ}C / W] 此计算是在环境温度为40 °C且评估板上的TRIAC条件下进行的。如果将TRIAC放置在吸尘器或类似设备中，散热片的尺寸可以显著减小。

4.8.4 ZCD电阻计算

为了使TRIAC的导通与输入正弦电压波形在每个周期同步，微控制器必须进行零交叉检测。电阻R1和R2、电容C2以及微控制器内部的两个钳位二极管提供了这种检测方法。输入电压为230 Vac时，电阻的功率耗散可通过以下公式计算： [P{R1, R2}=frac{V{INRMS}^{2}}{R1 + R2}=frac{230^{2}}{320000}=0.1653 W] 电阻上的最大电压为325 V（RMS电压值为230 Vac），因此需要至少串联两个电阻以避免过压。例如，1206表面贴装器件（SMD）电阻的最大电压为200 V。实际ZCD电路波形在调光器应用中使用60 W灯泡时进行了测量。

五、调光器设计与负载配置

5.1 设计注意事项

STEVAL - ILL004V1评估板用于调光器应用时，基本设计与电机速度控制应用相同，包括块原理图、应用原理图、电容式电源电路、TRIAC功率耗散、ZCD电阻计算和栅极限流电阻计算等。唯一的区别在于设计中使用的滤波器类型，为电容 - 电感 - 电容（CLC）滤波器，其中电容C7和C9均为100 nF，电感L1为0.1 mH。设计中包含一个按钮，用户可以通过它控制灯光的强度，包括增加或减少亮度。

5.2 相位和中性线不可用情况

在许多照明应用中，相位和中性线可能不可用，例如墙上的灯光开关通常只连接了相位线。在这种情况下，灯与评估板串联，微控制器的能量供应来自TRIAC电压（当TRIAC关断时）。如果TRIAC在信号周期的一半时间内长时间导通，将没有足够的时间（电压）来存储能量，设备将无法正常工作。因此，TRIAC不能在100%的时间内导通，在这种设计中，TRIAC的最大导通时间约为80%。如果负载（灯）与评估板串联，不应组装输入滤波器（特别是输入电容），以免在TRIAC导通时产生大的电流变化率（dI/dt），导致设备损坏。

5.3 相位和中性线可用情况

当灯直接连接到评估板时，由于相位和中性线可用，电容式电源能够为微控制器提供足够的能量，TRIAC可以无限制地导通。由于TRIAC导通时间为95%和100%时的灯光强度差异很小，因此将开关设计为95%（如果需要）即可。评估板具有多功能性（如电机速度控制、灯在板上或灯串联），开关设计将TRIAC导通时间限制为80%，以确保灯与评估板串联时的功能正常。但如果应用中同时提供相位和中性线，此限制可以更改。

六、电磁兼容性（EMC）测试

6.1 测试标准

欧洲标准对EMC进行了限制，以减少环境的电气污染。对于本应用说明，对调光器进行了EN55015标准测试，对电机速度控制进行了EN55014 - 1和EN61000 - 3 - 2 Class A标准测试。

6.2 调光器测试

对于调光器应用，使用CLC输入滤波器来保证EN55015标准。滤波电容C7和C9的值均为100 nF（~275 Vac x2），电感L1的值为0.1 mH。负载为100 W，由两个灯（40 W和60 W）组成，负载连接在评估板上，即相位和中性线可用于电源电路。由于输出功率可以通过TRIAC的开关时间进行调节，因此有多种测试状态，但仅提供最坏情况（最高噪声）的测量结果，即TRIAC在正弦波形的最大电压处导通时的情况。该标准要求进行两项测量：准峰值和平均值，实际波形均在要求的限制范围内，证明这种类型的EMI滤波器适用于调光器应用。

6.3 电机速度控制测试

对于电机速度控制，仅需要一个并联连接的输入电容（C7 = 470 nF）即可使波形结果低于其限制，因此这种类型的滤波器可以保证EN