節能型螺線(xiàn)管驅動(dòng)器設計

螺線(xiàn)管既可作為換能器，也可用作繼電器，是一種廣泛應用的綜合性機電元件，如今已在大多數汽車(chē)中用來(lái)調整液壓油流過(guò)自動(dòng)變速器的流量，或用于操縱為啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機供能的大電流開(kāi)關(guān)。本文中討論螺線(xiàn)管的內部架構，概述控制螺線(xiàn)管裝置的應用電路，并系統介紹了節電型驅動(dòng)器的設計要領(lǐng)。

摘要 

螺線(xiàn)管既可作為換能器，也可用作繼電器，是一種廣泛應用的綜合性機電元件，如今已在大多數汽車(chē)中用來(lái)調整液壓油流過(guò)自動(dòng)變速器的流量，或用于操縱為啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機供能的大電流開(kāi)關(guān)。本文中討論螺線(xiàn)管的內部架構，概述控制螺線(xiàn)管裝置的應用電路，并系統介紹了節電型驅動(dòng)器的設計要領(lǐng)。

螺線(xiàn)管電磁閥是一種機電執行器，其稱(chēng)為活塞的磁芯可在電磁閥內自由移動(dòng)。一般來(lái)說(shuō)，螺線(xiàn)管由一個(gè)螺旋形線(xiàn)圈和一個(gè)由鐵制成的移動(dòng)鐵芯活塞組成。

當電流通過(guò)螺線(xiàn)管線(xiàn)圈時(shí)，螺線(xiàn)管內會(huì )產(chǎn)生磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)產(chǎn)生一個(gè)力，將活塞拉入。當磁場(chǎng)產(chǎn)生足夠的力來(lái)拉動(dòng)活塞時(shí)，活塞會(huì )在電磁閥內移動(dòng)，直至到達機械停止位置。當活塞移入電磁閥內后，磁場(chǎng)僅需產(chǎn)生將活塞固定到位的力。當電磁閥線(xiàn)圈中的電流消失時(shí)，活塞將在螺線(xiàn)管電磁閥中彈簧的推動(dòng)下，返回其原始位置。圖1所示為螺線(xiàn)管架構。

圖1：螺線(xiàn)管架構示意圖。

驅動(dòng)電磁閥的最常見(jiàn)方法是在電磁閥線(xiàn)圈中施加所需電壓。這通?？梢岳门渲迷诟邆然虻蛡鹊膯蝹€(gè)功率晶體管來(lái)實(shí)現。由于螺線(xiàn)管線(xiàn)圈的電感很大，功率晶體管需要一個(gè)飛輪二極管與螺線(xiàn)管并聯(lián)，以便將電流推入晶體管。盡管這種方法簡(jiǎn)單且成本低，但功率效率太低。這是因為螺線(xiàn)管電磁閥通常需要很大電流才能將活塞拉入，但當活塞被拉入后，就不再需要這么大的電流。在簡(jiǎn)單的驅動(dòng)器方法中，當活塞被拉入并使活塞處于保持狀態(tài)時(shí)，施加在螺線(xiàn)管電磁閥上的電流功率，主要通過(guò)其內阻產(chǎn)生熱量而耗散掉了。內部螺線(xiàn)管電阻中耗散功率可由歐姆定律公式給出。

解決此問(wèn)題的另一種方法，是利用電流調節驅動(dòng)器來(lái)激活和關(guān)閉電磁閥。該驅動(dòng)器可以在螺線(xiàn)管電磁閥中施加一個(gè)峰值電流，拉入活塞，然后，再把電流降低到活塞保持所需大小。此策略大大降低了螺線(xiàn)管內阻功耗。這種驅動(dòng)器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，可以在較大的電壓范圍內利用螺線(xiàn)管電磁閥。這意味著(zhù)驅動(dòng)器允許螺線(xiàn)管原設計用于較低電壓(例如5V)的電磁閥，在較高電源電壓(比如12V電源)條件下工作亦不會(huì )損壞。

以下將介紹如何利用SLG47105 HVPAK器件，來(lái)實(shí)現用于兩個(gè)電磁閥的電流調節驅動(dòng)器。

GreenPAK設計概念

利用單個(gè)SLG47105器件可以同時(shí)驅動(dòng)兩個(gè)不同的電磁閥。SLG47105器件將控制通過(guò)螺線(xiàn)管電磁閥的電流，并將每個(gè)電磁閥的狀態(tài)(打開(kāi)、關(guān)閉或故障狀態(tài))通知用戶(hù)。圖2顯示了其內部架構的概念框圖。

圖2：利用SLG47105實(shí)現的節能型螺線(xiàn)管電磁閥驅動(dòng)器框圖。資料來(lái)源：瑞薩

圖的右上角為高壓輸出(HVOUT)區塊的內部配置及其與外部電磁閥的連接。連接到Pin7的輸出配置為推挽式，連接到Pin8的輸出配置成開(kāi)路漏極。開(kāi)路漏極輸出在啟動(dòng)延遲后始終保持開(kāi)啟。Pin5內部連接到Pin8的N-Mosfet和內部電流放大器。Pin5用于測量螺線(xiàn)管電磁閥電流，將其與內部基準進(jìn)行比較，并將比較結果發(fā)送到PWM控制器1。

PWM控制器1模塊生成所需的PWM信號，調節連接到Pin7和Pin8的螺線(xiàn)管電流。它有兩個(gè)設定點(diǎn)，一個(gè)是螺線(xiàn)管峰值電流，另一個(gè)是螺線(xiàn)管保持電流。PWM控制器的開(kāi)/關(guān)輸入由其左側的AND端口激活。AND端口連接至啟動(dòng)延遲和Pin2，用作打開(kāi)和關(guān)閉螺線(xiàn)管電磁閥的外部接口。

連接到AND端口的啟動(dòng)延遲模塊用于確保所有內部模塊在IC通電時(shí)能夠正確初始化。AND端口的輸出連接到另一個(gè)延遲模塊。當PWM控制器打開(kāi)時(shí)，它被配置為將螺線(xiàn)管電流調節在其峰值電流值上。延遲50毫秒后，延遲模塊切換PWM配置，以將螺線(xiàn)管電流調節到保持電流值。

PWM控制器1模塊的開(kāi)/關(guān)輸入也連接到多路復用器的一個(gè)輸入端。另一個(gè)多路復用器輸入連接到一個(gè)頻率為1赫茲的方波信號上。多路復用器輸出由HVOUT模塊中的FAULT信號控制。當FAULT(故障)信號顯示沒(méi)有任何故障時(shí)，On/Off(接通/斷開(kāi))輸入緩沖通過(guò)Pin17，即電磁閥1狀態(tài)輸出。而當FAULT信號顯示有故障時(shí)，方波信號在該輸出端被驅動(dòng)。電磁閥1狀態(tài)輸出用來(lái)驅動(dòng)外部LED，并為用戶(hù)顯示螺線(xiàn)管電磁閥狀態(tài)。該狀態(tài)可以點(diǎn)亮、熄滅、或在處于故障狀態(tài)時(shí)，LED以方波輸出頻率閃爍。

Pin14提供了一個(gè)附加FAULT(故障)輸出作為開(kāi)路漏極輸出。該輸出用于驅動(dòng)外部設備，如微控制器。

圖2中，PWM控制器1下方是PWM控制器2。PWM控制器2外圍的控制架構與PWM控制器1類(lèi)似。

兩個(gè)FAULT(故障)輸出可以與外部連接，因為它們是漏極開(kāi)路輸出，如果其中一路輸出有問(wèn)題，另一個(gè)還可為外部設備提供FAULT信號。

另一個(gè)模塊是I2C；用于峰值電流和保持電流的再配置。

應用電路

圖3所示為本文使用的典型應用電路。

圖3：典型應用電路的簡(jiǎn)化原理圖。資料來(lái)源：瑞薩

圖3所示為驅動(dòng)兩個(gè)不同電磁閥(標識為S1和S2)的典型應用簡(jiǎn)化示意圖。如圖所示，驅動(dòng)器由連接到5伏電源的兩個(gè)按鍵控制。電磁閥與一個(gè)0.1Ω的小電阻器分別連接到各自的HVOUT輸出。此電阻器用于對通過(guò)電磁閥的電流進(jìn)行外部測量，終端應用不需要此電阻器。對于SLG47105電流測量，兩個(gè)0.11Ω的電阻器連接到Pin5和Pin12。電磁閥狀態(tài)輸出連接到綠色LED，故障輸出連接到紅色LED。

本文使用兩個(gè)完全不同規格的螺線(xiàn)管電磁閥。表1顯示了電磁閥S1和S2的主要參數。

表1：螺線(xiàn)管電磁閥S1和S2的參數指標。資料來(lái)源：瑞薩

螺線(xiàn)管電磁閥電流設置

螺線(xiàn)管電磁閥電流將從調節峰值電流開(kāi)始，在初始延遲后，將其降低到保持電流值。我們隨意定義保持電流應為額定峰值電流的20%?；诖硕x，通過(guò)測量檢測電阻上的電壓和電流，就可以計算保持電流的耗散功率。表2中給出了每個(gè)螺線(xiàn)管電磁閥的理想螺線(xiàn)管電磁閥電流、耗散功率和檢測電阻器上的電壓。

表2：內部電壓基準和各自的電流和耗散功率。資料來(lái)源：瑞薩

峰值電流值指的是額定電壓上的螺線(xiàn)管電磁閥額定電流。通過(guò)將峰值電流乘以0.2(20%)來(lái)計算保持電流。根據峰值電流和保持電流，可是計算出內部螺線(xiàn)管電阻的耗散功率。具體方法是根據通過(guò)0.11Ω的檢測電阻器的電流，再利用歐姆定律即可計算其結果。同理，利用額定螺線(xiàn)管電磁閥電壓及其峰值電流值，可計算S2的額定線(xiàn)圈電阻。

需要特別注意的是，用于與SLG47105中的檢測電阻電壓進(jìn)行比較的參考電壓由內部6位DAC提供。必須利用調節電流將電壓調整到與SLG47105內部參考電壓最接近的值?？紤]到這一點(diǎn)，應選擇表3所示的電壓參考值。表3顯示了內部電壓和各自的電流。由于外部電壓在電路內部被放大8倍，故所有內部值都是所需檢測電阻電壓的8倍。利用歐姆定律計算通過(guò)檢測電阻器的峰值和保持電流值。

表3：內部電壓基準和各自的電流和耗散功率。資料來(lái)源：瑞薩

注意，表3中標有(*)的值是在計算中得到的，不過(guò)，這些值似乎是不太可能的，故不代表實(shí)際情況。對于S2，峰值電流不需要電流調節，因為螺線(xiàn)管電磁閥的內阻會(huì )限制電流?？紤]到這一點(diǎn)，決定將參考值設置為最大電流值。