基于GreenPAK 設(shè)計(jì)理念的節(jié)能螺線管驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)
驅(qū)動(dòng)螺線管的最常見方法是在螺線管線圈中施加所需的電壓。這通?？梢允褂门渲迷诟叨嘶虻投说膯蝹€(gè)功率晶體管來完成。功率晶體管需要一個(gè)與螺線管并聯(lián)的飛輪二極管，因?yàn)槁菥€管線圈具有高電感，會(huì)試圖將電流推入晶體管。雖然這種方法簡單且便宜，但它的功率效率不高。這是因?yàn)槁菥€管通常需要很大的電流來拉入柱塞，但是當(dāng)拉入柱塞時(shí)，它不需要相同量的電流。在簡單的驅(qū)動(dòng)器方法中，當(dāng)柱塞被拉入時(shí)，保持柱塞，施加到螺線管的電流主要通過其內(nèi)部電阻產(chǎn)生熱量。
1、電磁鐵原理
螺線管是機(jī)電致動(dòng)器，具有稱為柱塞的自由移動(dòng)磁芯。通常，螺線管由螺旋形線圈和鐵制成的動(dòng)鐵芯組成。當(dāng)電流通過螺線管線圈時(shí)，它會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)產(chǎn)生拉入柱塞的力。當(dāng)磁場(chǎng)產(chǎn)生足夠的力來拉動(dòng)柱塞時(shí)，它會(huì)在螺線管內(nèi)移動(dòng)，直到達(dá)到機(jī)械停止位置。當(dāng)柱塞已經(jīng)在螺線管內(nèi)時(shí)，磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生力將柱塞固定到位。當(dāng)電流從螺線管線圈中移除時(shí)，柱塞將在螺線管中安裝的彈簧推動(dòng)下返回其原始位置。
圖 1 顯示了螺線管的結(jié)構(gòu)。
圖1.螺線管原理
解決此問題的另一種方法是使用電流調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器來激活和停用螺線管。該驅(qū)動(dòng)器可以在螺線管中施加峰值電流值，直到它拉入柱塞，然后，它可以將電流降低到保持值。這種策略大大降低了內(nèi)部螺線管電阻消耗的功率。該驅(qū)動(dòng)器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以在更大的電壓范圍內(nèi)使用螺線管。這意味著驅(qū)動(dòng)器允許設(shè)計(jì)為以較低電壓(例如，5 伏)運(yùn)行的螺線管以較高的電源電壓運(yùn)行而不會(huì)損壞(例如，使用 12 伏電源)。
以下部分將描述使用SLG47105 HVPAK器件實(shí)現(xiàn)兩個(gè)螺線管的電流調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器。
GreenPAK 設(shè)計(jì)理念
使用單個(gè) SLG47105 器件可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)不同的螺線管。SLG47105 器件將控制通過螺線管的電流，并將通知用戶每個(gè)螺線管的狀態(tài)(開、關(guān)或處于故障狀態(tài))。顯示其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的概念框圖如圖 2 所示。
圖 2. 采用 SLG47105 的節(jié)能螺線管驅(qū)動(dòng)器框圖
該圖的右上角顯示了高壓輸出 (HVOUT) 模塊的內(nèi)部配置方式及其與外部螺線管的連接。連接到引腳 7 的輸出配置為推挽輸出，連接到引腳 8 的輸出配置為開漏。此開漏輸出在啟動(dòng)延遲后始終保持打開狀態(tài)。引腳 5 在內(nèi)部連接到引腳 8 的 N-Mosfet 和內(nèi)部電流放大器。引腳 5 用于測(cè)量螺線管電流并將其與內(nèi)部參考值進(jìn)行比較，將比較結(jié)果發(fā)送到 PWM 控制器 1 塊。
PWM 控制器 1 模塊生成調(diào)節(jié)連接到引腳 7 和 8 的螺線管電流所需的 PWM。它有兩個(gè)設(shè)定點(diǎn)，一個(gè)用于螺線管峰值電流，另一個(gè)用于螺線管保持電流。PWM 控制器的 On/Off 輸入由其左側(cè)的 AND 端口激活。AND 端口連接到啟動(dòng)延遲塊和引腳 2，用作打開和關(guān)閉螺線管的外部接口。
連接到 AND 端口的啟動(dòng)延遲模塊用于保證所有內(nèi)部模塊在 IC 上電時(shí)正確初始化。AND 端口的輸出連接到另一個(gè)延遲塊。當(dāng) PWM 控制器打開時(shí)，它被配置為將螺線管電流調(diào)節(jié)到其峰值電流值。延遲 50 毫秒后，延遲塊切換 PWM 配置以將螺線管電流調(diào)節(jié)到其保持電流值。
PWM 控制器 1 模塊的開/關(guān)輸入也連接到多路復(fù)用器的輸入之一。另一個(gè)多路復(fù)用器輸入連接到頻率為 1 赫茲的方波信號(hào)。多路復(fù)用器輸出由 HVOUT 模塊中的 FAULT 信號(hào)控制。當(dāng) FAULT 信號(hào)未指示任何故障時(shí)，開/關(guān)輸入通過引腳 17 緩沖，即 SOLENOID 1 狀態(tài)輸出。當(dāng) FAULT 信號(hào)指示故障時(shí)，方波信號(hào)在此輸出中被驅(qū)動(dòng)。SOLENOID 1 STATUS 設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)外部 LED 并向用戶顯示螺線管狀態(tài)。當(dāng) LED 以方波輸出頻率閃爍時(shí)，可以打開、關(guān)閉或處于故障狀態(tài)。
在引腳 14 中提供了一個(gè)額外的 FAULT 輸出作為漏極開路輸出。該輸出旨在驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備，如微控制器。
PWM 控制器 1 下方是 PWM 控制器 2，如圖 2 所示，PWM 控制器 2 周圍的控制結(jié)構(gòu)類似于 PWM 控制器 1。
兩個(gè) FAULT 輸出可以外部連接，因?yàn)樗鼈兪情_漏輸出，如果任何輸出發(fā)生故障，它們會(huì)為外部設(shè)備提供單個(gè) FAULT 信號(hào)。
另一個(gè)模塊是 I2C;它可用于重新配置峰值和保持電流設(shè)置。
應(yīng)用電路
圖 3 顯示了與本文一起使用的典型應(yīng)用電路。
圖 3. 典型應(yīng)用的電子電路簡化示意圖
圖 3 顯示了驅(qū)動(dòng)兩個(gè)不同螺線管(標(biāo)識(shí)為 S1 和 S2)的典型應(yīng)用的簡化示意圖。如圖所示，驅(qū)動(dòng)器由連接到 5 伏電源的兩個(gè)按鈕控制。螺線管與一個(gè) 0.1Ω 的小電阻一起連接到各自的 HVOUT 輸出。該電阻器用于允許通過螺線管進(jìn)行外部電流測(cè)量，終端應(yīng)用不需要此電阻器。對(duì)于 SLG47105 電流測(cè)量，兩個(gè) 0.11Ω 電阻連接到引腳 5 和 12。螺線管狀態(tài)輸出連接到綠色 LED，故障輸出連接到紅色 LED。
在本文中，我們使用了兩個(gè)規(guī)格完全不同的螺線管。表 1 顯示了螺線管 S1 和 S2 的主要規(guī)格。
表 1. 螺線管 S1 和 S2 的規(guī)格
電磁閥電流設(shè)置
螺線管電流將從調(diào)節(jié)的峰值電流值開始，并在初始延遲后降低到保持電流值。我們?nèi)我舛x保持電流應(yīng)為標(biāo)稱峰值電流的 20%。根據(jù)這個(gè)定義，可以計(jì)算出保持電流中消耗的功率以及檢測(cè)電阻上的相應(yīng)電壓。每個(gè)螺線管的理想螺線管電流、耗散功率和感應(yīng)電阻器電壓如表 2 所示。
表 2. 理想配置的電流、耗散功率和檢測(cè)電阻器電壓
峰值電流值是標(biāo)稱電壓下的螺線管標(biāo)稱電流。保持電流的計(jì)算方法是將峰值電流乘以 0.2(20%)。峰值和保持電流計(jì)算為內(nèi)部螺線管電阻上消耗的功率。檢測(cè)電阻器通過 0.11Ω 的檢測(cè)電阻器使用歐姆定律計(jì)算。S2 的標(biāo)稱線圈電阻是使用標(biāo)稱螺線管電壓及其峰值電流值計(jì)算的。
需要注意的是，用于與 SLG47105 中的檢測(cè)電阻器電壓進(jìn)行比較的參考電壓由內(nèi)部 6 位 DAC 提供。我們必須將穩(wěn)壓電流調(diào)整到最接近的 SLG47105 內(nèi)部參考電壓。考慮到這一點(diǎn)，選擇了表 3 中所示的以下電壓基準(zhǔn)值。表 3 顯示了內(nèi)部電壓和相應(yīng)的電流。所有內(nèi)部值都是所需檢測(cè)電阻器電壓的 8 倍，因?yàn)橥獠侩妷涸趦?nèi)部被放大了 8 倍(在下一節(jié)中更詳細(xì)地描述)。峰值和保持電流值通過檢測(cè)電阻使用歐姆定律計(jì)算。
表 3. 內(nèi)部電壓基準(zhǔn)以及相應(yīng)的電流和耗散功率
表 3 中標(biāo)有 (*) 的值是在計(jì)算中獲得的，但這些值是不可能的，并不代表現(xiàn)實(shí)。對(duì)于 S2，峰值電流不需要電流調(diào)節(jié)，因?yàn)?a href="/tags/螺線管" target="_blank">螺線管的內(nèi)阻會(huì)限制電流。考慮到這一點(diǎn)，我們決定設(shè)置最大電流值的參考。
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