快速衰減關(guān)閉時(shí)間的全橋驅(qū)動(dòng)螺線管的應(yīng)用技巧

功率損耗、電壓下降、過(guò)電流和過(guò)壓總會(huì)出現(xiàn)，因?yàn)槲覀儫o(wú)法避免自然事件、物理事故、設(shè)備故障或者人為誤操作。組合使用一些器件，用于保護(hù)電氣設(shè)備免受這些事件的損害，也即"接電裝置"。螺線管和繼電器是所有接電裝置中不可或缺的組成部分。它們通過(guò)線圈通電和接觸，連接/斷開(kāi)受保護(hù)設(shè)備的電源。本文為我們介紹繼電器、電流接觸器和閥門(mén)中常見(jiàn)的螺線管線圈的一些特性。另外，文章還介紹了一些驅(qū)動(dòng)它們的方法，并說(shuō)明有效驅(qū)動(dòng)的發(fā)展趨勢(shì)。本文還列舉了一些接電裝置應(yīng)用電路的例子

從表面上看，我們可能認(rèn)為驅(qū)動(dòng)螺線管或閥門(mén)執(zhí)行器接縫非常簡(jiǎn)單。老實(shí)說(shuō)，在大多數(shù)情況下確實(shí)如此。打開(kāi)或關(guān)閉電流并不是很困難。但是，如果我們的應(yīng)用程序需要非?？焖俚卮蜷_(kāi)/關(guān)閉負(fù)載驅(qū)動(dòng)怎么辦?實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的最佳方法是什么?

我有一些建議。

通常需要非?？焖俚仳?qū)動(dòng)線圈開(kāi)/關(guān)的應(yīng)用

(1) 點(diǎn)陣/針式打印機(jī)頭中的螺線管。9p、18p 或 24p 打印頭的每個(gè)針都有一個(gè)線圈。針的頻率響應(yīng)將直接決定打印速度。

(2) 汽車選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng)中的閥門(mén)。這些應(yīng)用需要高達(dá) 30Hz 的高頻運(yùn)動(dòng)，以獲得更好的系統(tǒng)控制精度。

(3) 工業(yè)系統(tǒng)中的氣閥。這些應(yīng)用通常需要高頻響應(yīng)以加速氣動(dòng)設(shè)備。

2.問(wèn)題：當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率增加時(shí)有什么問(wèn)題?

我相信我們會(huì)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題出在關(guān)閉螺線管/執(zhí)行器所需的時(shí)間;快速打開(kāi)它不是問(wèn)題。

當(dāng)我們關(guān)閉感性負(fù)載時(shí)，由于自感的性質(zhì)，流動(dòng)的電流不會(huì)瞬間改變。因此，通常讓電流流過(guò)續(xù)流二極管或場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET)。我在下面畫(huà)了一個(gè)例子。

衰減電流有很多名稱。我們可能會(huì)使用以下術(shù)語(yǔ)之一：再循環(huán)電流、感應(yīng)反沖或反激或續(xù)流電流。

在半橋驅(qū)動(dòng)場(chǎng)景中，再循環(huán)電流可以流過(guò)體二極管或?qū)γ娴?MOSFET(需要互補(bǔ)控制)。無(wú)論電流通過(guò)二極管還是導(dǎo)通狀態(tài) MOSFET 衰減，衰減速率通常都很慢，這意味著關(guān)斷時(shí)間很慢。

該問(wèn)題在螺線管/執(zhí)行器完全打開(kāi)并即將關(guān)閉的釋放點(diǎn)復(fù)雜化。你有最大的電流流動(dòng)和最大的磁通密度，導(dǎo)致電磁力難以減少。

我們將體驗(yàn)到執(zhí)行器釋放的延遲。當(dāng)驅(qū)動(dòng)開(kāi)/關(guān)頻率增加到某個(gè)閾值時(shí)，執(zhí)行器可能會(huì)一起停止運(yùn)動(dòng)。

3.解決方案：如何快速發(fā)布

基本思想是讓我們構(gòu)建一個(gè)可以提供最大量電壓的電路，該電壓可以快速將再循環(huán)電流衰減到零。面臨的電壓越高，電流衰減越快。

> 使用齊納二極管或 TVS 二極管(瞬態(tài)電壓抑制)

相反的電壓將為 V C = V zener(TVS) + V forward。這是近似方程。

L*(Δi/Δt) – i*r = V C

如果 r(線圈的內(nèi)阻)也被忽略，衰減時(shí)間可以估計(jì)為

Δt = L*Δi/V C

DRV8803 提供了一個(gè)特殊引腳“VCLAMP”，從而能夠添加 TVS 或齊納二極管以實(shí)現(xiàn)快速電流衰減。

對(duì)于 DRV8803，OUTx 的電壓應(yīng) < 60V。由于 V OUTx = VM + V forward + V zener，因此 V zener應(yīng) < 60V – VM – 1V(典型的正向壓降)。

> 使用壓敏電阻(壓敏電阻 VDR)

這與添加 TVS 的機(jī)制相同。只需用壓敏電阻替換 TVS 二極管即可。初始反向電壓將為 V C = V鉗位+ V正向。

> 使用具有快速衰減關(guān)閉時(shí)間的全橋

相反的電壓將為 V C = VM + 2*V forward(Body diodes)。

與使用 TVS 二極管的方法相比，全橋快速衰減驅(qū)動(dòng)沒(méi)有 TVS 產(chǎn)生的額外熱量。所以，如果你真的關(guān)心頻率響應(yīng)和更好的熱性能，使用全橋驅(qū)動(dòng)一個(gè)線圈可以有很大的價(jià)值。

4.示例：

這是汽車 SCR 閥應(yīng)用的示例。

VM=24V，正常驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，頻響只能滿足14Hz。但是，當(dāng)使用具有 24V 鉗位 TVS 的 DRV8803 或具有全橋快速衰減模式的 DRV8801 (Q1) 驅(qū)動(dòng)時(shí)，頻率響應(yīng)可以增加到 45Hz。

下圖顯示了正常和快速衰減驅(qū)動(dòng)之間的驅(qū)動(dòng)電流差異。憑借 55% 的占空比和 700mA 峰值，該器件在整個(gè)時(shí)間內(nèi)(在 25°C 室溫下)保持在或低于 35°C。

有關(guān)使用 H 橋驅(qū)動(dòng)螺線管的更多信息，請(qǐng)查看使用 DRV8841/42 驅(qū)動(dòng)螺線管。TI 有許多專門(mén)針對(duì)螺線管應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)器，這些驅(qū)動(dòng)器集成了 4 或 8 個(gè)低側(cè)驅(qū)動(dòng)器，包括DRV8803、DRV8804、DRV8806和DRV8860。