两款高可靠性低成本的电磁炉系统设计方案

一、电磁炉的基本工作原理

一般厨具是通过本身发热，热量再传导到锅具，电磁炉不是由本身产生热量对食物进行加热，电磁炉将交流电转换成直流电压，再通过励磁线圈加到IGBT 上，IGBT受驱动控制导通和截止，励磁线圈有频率为20—50KHz的电流流过，励磁线圈产生高频磁场，若有铁锅置于炉面上，则锅底产生涡流，涡流克服 锅内阻而转换成热能。

由于电磁炉是采用这种磁场感应电流的加热原理，它的关键元器件是大功率IGBT高速交替开关，IGBT的保护是电磁炉的重点和难点，针对电磁炉工作过程中，遇任任何情况都要快速保护的特点，赛元推出了电磁加热专用微控制器SC91F738，内置16MHz RC可提供MCU 16MHz工作频率，8K Flash ROM，256RAM，4路比较器，1路运算放大器，3+1通道ADC，蜂鸣器Buzzer，IGBT控制 PPG，把过流保护，过流保护，反压调节，同步等等功能模块都集成到MCU内部。

二、电磁炉系统方案原理框图

三、电磁炉方案主要功能

1、 无锅检测
自动侦测炉台有无锅，只在有锅时，才能开启功率器件IGBT。

2、 功率控制
赛元SC91F738的PPG输出不同的PWM信号，所形成的负荷电流的大小是不同的。根据所设的档位的功率大小，由SC91F738测试到的市电电压值、电流值，PPG输出合适的PPG占空比，以达到功率的自动控制。使功率不受市的影响。

3、 温度控制
在微晶板的锅底下方设置了温度传感器，可实现对温度的自动控制，用户可选适合的温度档。

4、 定时
预约开机，定时关机

5、 报警
市电过压、欠压，IGBT温度过高，锅底温度过高、电流过大、传感器故障等等都要报警。

四、电磁炉功能模块说明

1、 主回路，功率控制PPG

如框 图，IGBT受脉冲驱动，当IGBT导通时，励磁线圈电流迅速增加，当IGBT截止时，L、C回路发生谐振，IGBT集电极产生脉冲高压，当高压降至近0 时，驱动使IGBT再次导通，驱动脉宽决定了电磁炉负载的大小，通常IGBT由振荡电路、脉宽控制电路等外围电路完成。

赛元SC91F738 把这些外围电路集成到内MCU部，叫PPG（可编程脉冲产生器）。SC91F738内部有16MHz高速RC时钟源，11Bits可调脉宽，在0.0625μs~128μs范围，步进单位为0.0625μs, 2K级可调，使脉宽调节更别细腻平滑。
SC91F738的PPG，除反压保护的自减功能外，它集成了活灵的自动追踪目标值的功能。
SC91F738的PPG采用反向占空比的开漏输出，把IGBT驱动电路一减再减。

2、 同步检测

同步电路监视主回路的工作状况，当IGBT电压下降接近0V时，输出一个触发脉冲，使IGBT导通。这样可避免励磁线圈中的电流瞬间变化太大，保护了功率器件IGBT。

赛元SC91F738集成了同步检测功能，并自动触发PPG输出，使外部电路大大简省，同时，SC91F738 PPG的延时功能，直接通过软件设置不同的延时输出时间，达到移相的效果，与用外部硬件移相比较，软件设置更加灵活。

3、 反压自动调节

当IGBT关断时，励磁线圈产生反压，为了保护IGBT，都要严密监视IGBT集电极电压，一旦电压过高，一般通过外围电路立即关断驱动脉冲，再通过软件重新开启，普通做法由于重启较慢，正弦的包洛就会被削掉部分，降低电源利用率。

赛 元SC91F738内部集成反压自动调节模块，不但反压过大时，会自动按你程式预设减小脉冲宽度，还会根据反压过压次数，自动灵活调节，该模块更特别的是 它会自动跟踪目标值功能，MCU硬件帮你做到动态平衡在最高效率，让包洛更加接近正弦波，相同的外部元器件，能做到更高的电磁炉功率。

4、 过压保护

当电源本身或干扰而电压过高时。如电机、电风扇、日光灯等开关时，电源都会被干扰而产生电压浪涌，为了保护功率管IGBT不被烧坏，微控制器都要立即进入保护状态。 赛元SC91F738 内部集成了一个过压保护比较器。

5、 过流保护

一般电磁炉只做电压浪涌保护功能，但赛元SC91F738特别增加了一个电流浪涌保护比较器，具有电压浪涌、电流浪涌双重保护，使产品更加安全可靠。

6、 电压电流温度测试

赛元SC91F738 有3+1通道ADC，提供炉面温测试、IGBT温度测试、电压测试，另一通道ADC连接到内部放大器，提供电流放大测试。

7、 与面板的通讯接口

赛元SC91F738提供类IIC的高速通讯接口，使之与面板连接排线减到最少，只有两根通讯线，既可以与慢速的IO通讯，还能与具有IIC接口的MCU高速通讯，如赛元SC91F832触摸按键MCU。

五、赛元SC91F832电磁炉面板方案
 
电磁炉面板方案 触摸Key与LED共用IO

在 本解决方案中采用28pin的SC91F832做按键显示板的主控芯片，16个触摸按键，24个LED + 4位数码管显示、与主板IIC通讯，同时类IIC接口也是工程师调试接口。相对触摸按键IC加显示IC方案，赛元SC91F832的优点是触摸按键IO与 LED　SEG可以共用，使整个显示面板简单到只有电阻，以单IC完成多按键多LED及应用功能控制。

SC91F832,工 作电压2.5~5.5V，内部高速RC振荡电路可提供MCU 16MHz工作频率，提供外设时钟，共有25个I/O可用，16个电荷转移实现的触摸按键。512B的RAM和8KB的FLASH，还有10万次擦写次数 的256B EEPROM数据存储器,可单Byte读写。

六、触摸按键的工作原理框图

 
触摸按键原理

1、 稳压电源（或VDD）通过CTIME的频率设置的频率向外部的分布电容Cxn和基准电容Cadj充电。
2、 Cadj电压会逐步上升至充电电路的设置值后，经过滤波电路 后给出信号。
3、 TKCNT会记录从充电开始到看到信号的时间。
4、 如果有手触摸到按键时，Cxn的值会增加，则Cadj电压上升的时间会减小，也就是TKCN的值会减小。
5、 用户便可以通过TKCNT的扫描值来确认是否有触摸按键被按下。

七、触摸按键干扰解决方案——赛元触摸按键库

相 较于机械式按键和电阻式触摸按键，电容式触摸按键不仅耐用，造价低廉，机构简单易于安装，防水防污，而且还能提供如滚轮、滑动条的功能。但是电容式触摸按 键也存在很多的问题，因为没有机械构造，所有的检测都是电量的微小变化，所以对各种干扰敏感得多。赛元提供了完善的解决方案库，无需用户软件处理触摸按 键，只要简单调用赛元库文件，就能轻易读取按键状态，其复杂的判键过程，完全由赛元库文件处理：

1、 电磁干扰
电磁炉工作时，产生电磁场，从而干扰触摸按键的变化值，赛元受益于对电磁炉功率控制的熟悉，触摸按键库作了相应的软件算法处理，使触摸按键更加可靠。

2、 溅水、溅油的影响

在电磁炉的使用当中，常常会出现水或油溅到触摸面板上，它可能导致按键误触发，赛元触摸按键库文件采用特殊软件算法可靠地将覆水溅油与手指按下的状态区分开。

3、 环境自适应能力

电 磁炉在工作的时候，会产生大量的热量与湿气，面板温度、湿度，电路板温度、湿度都是会在一个很宽的范围浮动，而随着使用时间的推移，包括微晶面板、PCB 板都会出现不同程序的老化，从而影响按键检测的准确度。赛元触摸按键库文件，实现了自动校准功能，实时地提供环境检测，实现环境自适应的机制。