小家電馬達堵轉保護方案探討

多功能豆漿機功能強大，不但可以磨制豆漿，還可以制作果汁、果蔬濃湯、營(yíng)養米糊、五谷雜糧、玉米汁、綠豆汁等幾十個(gè)品種，既可制作熱飲同時(shí)又可制作冷飲。

一般多功能豆漿機是由電動(dòng)和電熱系統集成在一起的產(chǎn)品，整機程序由微電腦系統自動(dòng)控制，形成一個(gè)相對復雜的系統。多功能豆漿機從結構上分析，主要有機頭，機身，馬達，聯(lián)軸器，杯蓋，杯體，刀軸，控制電路板，液晶顯示屏等組成。豆漿機里有溫度傳感器，用于檢測加熱器加熱時(shí)杯體內的水溫，當水溫達到MCU設定溫度（假設80 ℃左右）時(shí)，MCU啟動(dòng)馬達開(kāi)始磨制豆漿。一般多功能豆漿機的預熱、打漿、榨果汁等全自動(dòng)化過(guò)程，都是通過(guò)MCU控制，相應的驅動(dòng)三極管，再由多個(gè)繼電器組成的繼電器組電路轉換來(lái)完成。其中馬達在多功能豆漿機中是一個(gè)非常重要的部件，它的使用安全問(wèn)題直接影響到豆漿機的可靠性。

下圖3為多功能豆漿機馬達和加熱器的簡(jiǎn)單電路示意圖。豆漿機所用馬達為220V直流馬達，繼電器的工作電壓為12V，豆漿機利用繼電器把MCU發(fā)出的低壓控制信號I/O來(lái)控制交流高壓信號的通斷，R3為PPTC可恢復電阻，T1和T2為繼電器。

圖3 豆漿機馬達和加熱器的電路示意圖

由于在使用多功能豆漿機時(shí)，豆漿機往往在制作果汁的時(shí)候會(huì )發(fā)生堵轉，馬達的堵轉指的是杯體中的物品將馬達軸承固定不使其轉動(dòng)，這時(shí)電壓還加在馬達的兩端，這時(shí)候的電流就是堵轉電流，一般的馬達都是不允許發(fā)生堵轉的，因為馬達發(fā)生堵轉之后馬達線(xiàn)圈的溫度會(huì )急劇上升，溫度超過(guò)線(xiàn)圈的最高溫度之后，時(shí)間稍長(cháng)就會(huì )燒壞馬達，這即增加了消費者的不便，也增加了生產(chǎn)者的維修成本。所以在豆漿機中增加馬達保護裝置是必不可少的，而且是在堵轉消除后能自動(dòng)恢復的保護，因此選擇TE connectivity公司的可恢復PPTC是一個(gè)不錯的解決方案。

用上文所述的PPTC設計流程可以用在多功能豆漿機馬達防堵保護設計中，但這是往往會(huì )碰到選擇PPTC型號困難的問(wèn)題，也就是說(shuō)多功能豆漿機的馬達保護設計會(huì )較普通的小家電馬達保護復雜的多，圖4為磨制豆漿時(shí)PCB板周?chē)h(huán)境溫度和馬達外殼溫度的實(shí)測圖，可見(jiàn)控制電路PCB板PPTC周?chē)沫h(huán)境溫度最高可以到達85C。由于豆漿機的PPTC最高環(huán)境溫度85度會(huì )比普通的小家電最高環(huán)境溫度要求高，這樣既要在85度的最大工作電流下能正常工作，還要保證在最低溫度0度的堵轉電流情況下能及時(shí)的保護，相應的就增大了設計難度。下面就具體的闡述此類(lèi)多功能豆漿機馬達堵轉的保護設計方案。

圖4 磨制豆漿時(shí)PCB板子和馬達外殼的溫度

以磨制豆漿時(shí)的電流確定最大工作電流，根據該最大工作電流和最大環(huán)境溫度初步確定TE connectivity LVR系列PPTC的相關(guān)型號。圖5為多功能豆漿機磨制豆漿時(shí)的工作電流，測得多功能豆漿機的直流馬達的最大電流為800mA，由于磨制豆漿時(shí)馬達是間隔一定時(shí)間工作的，并不是一直連續工作的，間隔時(shí)間由豆漿機MCU計時(shí)電路控制，所以計算PPTC要能維持的最大工作電流指的是馬達工作整個(gè)周期的平均電流，圖中所示的800mA的最大電流換算成在一個(gè)完整工作周期內為450mA。查閱LVR100在85度下的hold電流大約是550mA，所以首先選取LVR100。

圖5 多功能豆漿機磨制豆漿時(shí)的工作電流

圖6為多功能豆漿機的堵轉電流。在榨水果的堵轉情況下，實(shí)測馬達的堵轉最大電流為2A，由于榨果汁時(shí)馬達也不是一直連續工作的，也是間隔一定時(shí)間工作，間隔時(shí)間是馬達工作6S，停3S，這樣換算成在一個(gè)榨水果完整工作周期內平均電流是1.6~1.7A。在1.6~1.7A堵轉電流下，馬達堵轉需要保護的時(shí)間要求在150S內。

圖6 多功能豆漿機的堵轉電流

從上述數據看到豆漿機的堵轉電流僅僅只是正常工作時(shí)電流的3倍，還要考慮85度的最高溫度和0度的最低溫度的情況，磨制豆漿的時(shí)間較長(cháng)，要在比如半小時(shí)之內能維持馬達的正常工作，這樣造成馬達保護的設計很復雜，因為很難滿(mǎn)足PPTC動(dòng)作時(shí)間快的要求，因為當堵轉電流和正常工作時(shí)電流的比值越大， PPTC保護的時(shí)間越快，PPTC的選型也越容易?，F在在0C溫度下1.6~1.7A的堵轉電流下，LVR100的保護時(shí)間會(huì )非常長(cháng)，遠遠不能滿(mǎn)足在0C溫度下150S保護時(shí)間的要求。

那如何實(shí)現上述多功能豆漿機馬達保護的問(wèn)題呢？TE connectivity公司研發(fā)出一種用LVR PPTC和功率電阻利用熱耦合的方式連接在一起的組件來(lái)實(shí)現多功能豆漿機馬達的快速堵轉保護。本實(shí)例中采用LVR100和1ohm/3W的功率電阻熱耦合的組件，讓功率電阻和LVR100能很好的熱接觸，目的就是為了使功率電阻能在堵轉的時(shí)候加熱LVR100使其更快的保護，選取1ohm的功率電阻是為了減小對直流馬達的影響。

首先選取LVR100的Rmin電阻和1ohm/3W的功率電阻熱耦合的組件來(lái)進(jìn)行0C溫度下榨水果馬達堵轉保護時(shí)間。

選取兩片Rmin電阻0.22ohm 的LVR100和功率電阻集成的組件，下面表1為馬達的保護時(shí)間。

表1 Rmin電阻的LVR100和功率電阻集成的組件在0C下馬達保護時(shí)間

由上表可見(jiàn)保護時(shí)間都在150S之內，滿(mǎn)足要求。

其次選取典型值電阻的LVR100和功率電阻集成的組件，來(lái)進(jìn)行0C/25C溫度下榨水果馬達堵轉保護時(shí)間，下表2為馬達的保護時(shí)間。

表2 典型值電阻的LVR100和功率電阻集成的組件在0C/25C下馬達保護時(shí)間

可見(jiàn)LVR100的典型值組件在0C/25C溫度下馬達保護時(shí)間還會(huì )更快，完全滿(mǎn)足小于150S的馬達保護要求。圖7為在25度下馬達堵轉保護的實(shí)測波形。

圖7 PPTC組件在多功能豆漿機馬達堵轉保護波形

然后選取R1max電阻0.58ohm 的LVR100和功率電阻集成的組件來(lái)進(jìn)行磨制豆漿的hold試驗，實(shí)驗結果證明組件能在一次完整的磨制豆漿過(guò)程中不誤動(dòng)作。

由以上的試驗證明，TE connectivity公司研發(fā)出的LVR PPTC和功率電阻集成在一起的組件既可以滿(mǎn)足馬達的保護時(shí)間的要求，又可以在一次完整的磨制豆漿的周期內不誤動(dòng)作，達到了設計和保護要求。

結論

PPTC可以用在小家電的馬達堵轉保護中，對于多功能豆漿機等較為復雜的馬達堵轉保護，TE connectivity也針對此類(lèi)問(wèn)題，研發(fā)出LVR PPTC和功率電阻利用熱耦合集成在一起的組件，解決了原來(lái)PPTC在豆漿機等家用電器中直流馬達堵轉保護時(shí)間慢的問(wèn)題，為客戶(hù)解決此類(lèi)問(wèn)題提供了一種全新的方案。