Microchip低压风扇参考设计

应用概述

为了减少家庭能源使用，吊扇和其他家用风扇正在从大型重型单相交流感应电机 (ACIM) 迁移到更小、更轻、更高效的三相无刷直流 (BLDC) 或永磁同步电机 (PMSM)，更高的功率密度。该参考设计提供了针对能源效率和成本进行优化的低压 PMSM 风扇解决方案。您可以以 300 RPM 的速度运行吊扇，并且仅消耗约 17.5W，大约相当于 2 个 LED（相当于 60W）灯泡所需的功率。以此参考设计为起点，可以在更短的时间内创建风扇解决方案。

演示说明

从高压单相 ACIM 电机更改为低压三相 PMSM/BLDC 电机需要 2 级功率转换电路。首先，反激式转换器电路将 90-265 VAC 输入电源转换为具有高功率因数校正 (PFC) 的中间 32 VDC，以保持能源效率。即使在低功率条件下，功率因数也保持在 0.9 以上。这会产生旋转大多数 PMSM 电机所需的电压总线。 MCP16331 峰值电流模式 PWM DC/DC 转换器将 32 VDC 降至 10V。它用于为三个 MIC4605 半桥 MOSFET 栅极驱动器高效供电，这些驱动器根据 dsPIC 数字信号控制器 (DSC) PWM 输出的指示打开和关闭六个 MOSFET。高效 MIC5205 低压差 (LDO) 稳压器还可将 10 伏电压降至 3.3V，为 dsPIC 供电。

选择参考设计的组件是为了优化物料清单 (BOM)，以最少的组件数量并实现最低的成本。例如，高度集成的dsPIC33CK64MC102 DSC包括两个用于电机相电流放大的运算放大器和一个用于检测过流状况的比较器，从而节省了使用外部电路的空间和成本。使用单电流实现来代替双或三并联电机相电流测量电路，以降低成本和空间。由此产生的紧凑型圆形 10 厘米直径板可安装在典型风扇电机的顶部，类似于实际的最终产品解决方案。 BOM 还符合中国 RoHS 50 和欧盟 Reach 标准。

为了获得最高的能源效率、最大的电机扭矩输出和安静的运行，dsPIC DSC 运行具有正弦 PWM 输出的先进磁场定向控制 (FOC) 算法。初始位置检测 (IPD) 软件算法可确保启动时风扇运动的正确方向。当风扇旋转或需要改变风扇方向时，飞速启动和制动算法可提供平稳的重新启动。

为了支持进一步定制，四个通用输入/输出 (GPIO) 引脚被引出到板的边缘。这些引脚可以通过软件配置为 UART 或 SPI 或用于输入捕捉功能。这允许用户创建与各种传感器或通信协议（例如红外 (IR)、蓝牙、WiFi 或专有家庭自动化协议）的接口。

通过将库存控制板与参考设计板交换，该低压风扇参考设计板可与任何现有的三相 BLDC 或 PMSM 风扇一起使用。如果电机参数与库存演示电机不同，则可能需要更改 FOC 参数。将交流电源和电机线连接到电路板和红外接收器后，可以使用遥控器来启动和停止风扇以及更改速度或方向设置。

设计优点

参考设计缩短了风扇开发时间

低压三相 PMSM 实施比典型 ACIM 实施更节能

有竞争力的 BOM 成本

紧凑的电路板设计适合风扇电机顶部

运行单分流无传感器磁场定向控制 (FOC) 算法，实现安静、高效的风扇运行

初始位置检测 (IPD) 确保风扇开始朝正确方向转动

风车和主动制动可实现风扇平稳重启

用于风扇功能的红外 (IR) 远程控制

特色解决方案

演示基于 Microchip dsPIC33CK 数字信号控制器 (DSC) 的低成本、高效吊扇参考设计。此设计使用运行磁场定向控制 (FOC) 的更轻、更高效的 BLDC 电机取代了重型 ACIM。演示的高级软件功能包括初始位置检测 (IPD)、风车（快速启动）和用于改善风扇运行的制动。

解决方案图

参考设计物料清单

dsPIC33CK64MC102：适用于高性能嵌入式和电机控制应用的 100 MHz 单核 DSC

MCP16331：50V 输入、非同步降压开关稳压器

MIC5205：150mA 1% 低噪声 LDO

MCP6001：一款单路 1MHz 运算放大器，静态电流为 100 uA（典型值），电源电压范围为 1.8V 至 5.5V。

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