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[導讀]作者:Sanjay Pithadia,德州儀器 (TI) 高級模擬應用工程師 引言 所有電源系統(tǒng)的主要目的都是維持高水平的持續(xù)供電能力,并在出現(xiàn)不可承受狀態(tài)時,最小化其影響范圍和斷

作者:Sanjay Pithadia,德州儀器 (TI) 高級模擬應用工程師

引言
所有電源系統(tǒng)的主要目的都是維持高水平的持續(xù)供電能力,并在出現(xiàn)不可承受狀態(tài)時,最小化其影響范圍和斷電時間。功率損耗、電壓下降、過電流和過壓總會出現(xiàn),因為我們無法避免自然事件、物理事故、設備故障或者人為誤操作。組合使用一些器件,用于保護電氣設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。它們通過線圈通電和接觸,連接/斷開受保護設備的電源。本文為您介紹繼電器、電流接觸器和閥門中常見的螺線管線圈的一些特性。另外,文章還介紹了一些驅動它們的方法,并說明有效驅動的發(fā)展趨勢。本文還列舉了一些接電裝置應用電路的例子。

過電流保護器件(例如:斷路器等),用于保護導體不受過電流的損害。設計這些保護器件的目的是,讓電路中的電流保持在一個安全水平,以防止電路導體器過熱。電流接觸器主要用于連接或者斷開導體接觸電流。它們用于一些頻繁或者長期不變的導通-斷開連接。

為了保護電路免受強電流的損害,保護性器件必須知道故障狀態(tài)何時出現(xiàn),并能自動將電氣設備同電源斷開。過電流保護器件必須能夠區(qū)分過電流與短路的區(qū)別,并以正確的方式做出反應。可以允許一定時間的小過電流,但是,隨著電流量的增加,保護器件必須能夠更加迅速地做出響應,例如:迅即阻止短路。

螺線管線圈特性
機電螺線管由一個圍繞可移動鋼或鐵芯(稱作“電樞”)的電磁感應線圈繞組組成。該線圈的形狀可讓電樞移入或移出其中心,從而改變線圈的電感,最終形成電磁(請參見圖1)。電樞用于向一些機械裝置提供機械力。

圖1螺線管工作原理


螺線管的主要電特性是,它是一種電感器,擁有電感,這是一種對抗電流變化的特性。這就是當螺線管帶電時電流不會立即達到最大水平的原因。相反,電流以一種穩(wěn)定的速率增加,直到其受到螺線管DC電阻的限制為止。電感器(例如:螺線管)以集中磁場的方式存儲能量。只要線路或者導體內(nèi)存在電流,就會在線路周圍形成磁場(盡管很?。0丫€路繞成一個線圈(例如:螺線管中的線圈)以后,磁場便變得非常集中。通過電信號,電磁可用于控制機械閥門。螺線管一通電,電流便增加,從而使磁場不斷擴展,直到其強至能夠移動電樞為止。電樞移動會增加磁場的集中度,因為電樞自有磁質(zhì)量移至更遠,進入該磁場。記住,磁場變化的方向與讓其形成的電流的方向相同,從而在繞組中引起反向電壓。由于電樞運動時磁場迅速擴展,它會使通過螺線管繞組的電流短暫下降。在電樞運動后,電流繼續(xù)沿其正常路徑上升至最大水平。結果如圖2中電流波形所示。注意觀察電流波形上升過程中的明顯下探點。

螺線管線圈驅動:電壓還是電流驅動?
所前所述,螺線管的電樞用于為機械裝置提供機械力。施加給電樞的力與電樞位置變化時線圈的電感變化成比例關系。另外,它還與流經(jīng)線圈的電流成比例關系(根據(jù)法拉第的電感定律)。方程式1計算螺線管電磁對某個通過電荷所施加的力:


力=Q ×V×(磁常量× N × I),(1)


其中,Q為通過點電荷的電荷;V為該點電荷的速度;磁常量為4π×10–7;N為螺線管線圈的匝數(shù);I為通過螺線管的電流。這表明,螺線管的電磁力直接與電流有關。

傳統(tǒng)上,電壓驅動用于驅動螺線管線圈;因此,線圈內(nèi)持續(xù)消耗電力。這種功率消耗的一個不利影響是線圈發(fā)熱,之后擴散至整個繼電器。線圈溫度由環(huán)境溫度、V×I線圈功耗帶來的自發(fā)熱、接觸系統(tǒng)引起的發(fā)熱、渦電流產(chǎn)生的磁化損耗以及其它熱源(例如:繼電器附近的一些組件)共同決定。由于線圈發(fā)熱,線圈電阻增加。高溫電阻計算方法如方程式2所示:



其中,RCoil_20°C為電阻20°C值,而kR_T則為銅的熱系數(shù),其等于0.0034每攝氏度。根據(jù)RCoil_20°C(一般可在螺線管線圈產(chǎn)品說明書中找到),可計算得到高溫下的極端線圈電阻。在電路設計期間,需注意進行極端條件下的相關計算,例如:工作拾取電壓的最高可能線圈溫度。

圖2 螺線管電流


需要注意的另一點是,就特定線圈而言,在任何條件下拾取電流都保持不變。拾取電流取決于拾取電壓和線圈電阻(IPick-up= VPick-up/RCoil)。大多數(shù)繼電器均由銅線制成。根據(jù)方程式2,由于線圈溫度上升,線圈電阻增加。因此,熱線圈的拾取電壓應更高,以產(chǎn)生要求的拾取電流。例如,如果一個12VDC繼電器的拾取電壓為9.6VDC,并且20°C下線圈電阻為400 ?,則IPick-up= 24 mA。當線圈溫度上升至40°C時,線圈電阻增加至432 ?。因此,拾取電壓為10.36 VDC。(拾取電流保持不變。)換句話說,溫度增加20°C,拾取電壓上升0.76VDC。繼電器使用更高占空比時,由于線圈的溫度上升,每個連續(xù)周期的拾取電壓可能會稍微上升。圖3表明,如果使用電壓驅動,則用戶可能不得不對線圈進行超裕度設計。

圖3 螺線管電壓驅動的超裕量設計



簡而言之,由于電流隨線圈電阻、溫度、電源電壓等變化而變化,因此電壓驅動迫使我們只能進行超裕度設計。所以,對于許多螺線管的器件來說,使用電流驅動是最佳方式。

功耗優(yōu)化
關閉一個繼電器或者閥門,要求使用大量的能量。激活螺線管致動器的瞬間電流(稱作“峰值電流”,Ipeak)會非常高。但是,一旦繼電器或者閥門關閉,將其維持在這種狀態(tài)下所要求的電流(稱作“保持電流”,IHold)則大大小于峰值電流。一般而言,保持電流均小于峰值電流:IHold<< IPeak。

使用電壓驅動時,螺線管線圈的電流持續(xù),并且高于使用電流驅動的情況(圖4)。與電壓驅動不同,電流驅動無需為溫度或者螺線管差異引起的參數(shù)變化留出余量。這種設計要求使用單獨的峰值電流值(大小可能為數(shù)安培),并同時使用固態(tài)保持電流(可能僅為峰值電流值的1/20)。

圖4 電壓驅動和電流驅動的螺線管電流

螺線管線圈驅動的電流控制實施
傳統(tǒng)上,我們直接通過微控制器(MCU)的通用輸入/輸出(GPIO)來驅動螺線管線圈(圖5a)。通過一個由MCU的GPIO控制的一個開關,激活線圈。人們開發(fā)出了一種新的驅動系統(tǒng),其使用波形的脈寬調(diào)制(PWM)(圖5b)。線圈經(jīng)由一個受MCU的PWM控制的開關來激活,然后占空比決定通過線圈的平均電流。我們使用了德州儀器DRV110,它是一種帶有集成電源調(diào)節(jié)的節(jié)能型螺線管控制器(圖5c)。這種基于DRV110的系統(tǒng),設計它的目的是通過較好控制的波形來調(diào)節(jié)電流,以降低功耗。在初始上升以后,螺線管電流保持在峰值上,以確保正常工作,之后降至某個更低的保持水平,目的是避免發(fā)熱問題和降低功耗。圖6的曲線圖比較了傳統(tǒng)驅動器和DRV110的工作情況。注意,其它一些方法也可降低電壓,但卻需要一定的開銷才能保證在各種溫度下保持電流始終不變。

圖5 線圈驅動方法



圖6 傳統(tǒng)驅動器和DRV110工作原理比較


圖7顯示了基于DRV110的一個典型應用電路。DRV110控制通過螺線管的電流(LS),如圖7所示。EN引腳電壓被(內(nèi)部或者外部驅動器)拉高時,激活開始。在激活之初,DRV110允許負載電流升高至峰值(IPeak),然后在降低至IHold以前對其進行tKeep時間的調(diào)節(jié)。只要EN引腳維持高電平,則把負載電流調(diào)節(jié)至保持值。初始電流上升時間取決于螺線管的電感和電阻。一旦EN引腳被驅動至GND,則DRV110允許螺線管電流降至零。

圖7 DRV110和螺線管電流波形的典型應用電路


計算DRV110的IPeak和IHold
DRV110的激活(峰值)電流由線圈的“導通”電阻和繼電器要求的拾取電壓所決定。最高溫度電阻值(RCoil_T(max))和繼電器額定工作電壓(Vnom)可用于計算最高溫度下要求的IPeak值:


DRV110的保持電流由線圈的“導通”電阻以及避免繼電器出現(xiàn)壓降所要求的電壓決定。為了使繼電器不出現(xiàn)壓降,制造廠商均在其產(chǎn)品說明書中列出了建議電壓值;但是,應為振動和其它意外情況留出一定的余量。許多繼電器制造廠商把額定電壓的35%作為安全極限。假設這一極限值夠用,則可使用RCoil_T(max)值和繼電器額定工作電壓(Vnom)來計算不同工作溫度的IHold值:


接電裝置應用舉例
如果在規(guī)定時間負載超出器件的額定電流,則過載保護會讓器件斷開電路連接。圖8所示保護電路實現(xiàn)通過測量電流和電壓來產(chǎn)生激活(EN)信號。(為了簡化圖8-10,未顯示OSC、PEAK、HOLD和KEEP的DRV110引腳連接。)

圖8 過載保護


磁接觸器需要一個電流通過線圈,以移動該接觸器進入關閉或者開啟位置。圖9顯示了使用DRV110的一個接觸器系統(tǒng)的RMS電壓檢測電路實現(xiàn)。

圖9 RMS電壓檢測磁接觸器系統(tǒng)


利用DRV110還可以實現(xiàn)欠壓和過壓保護(圖10)。使用兩個比較器來測量高低閾值電壓。根據(jù)每個比較器的輸出,SR觸發(fā)器向DRV110發(fā)送一個激活(EN)信號。


圖10 欠壓和過壓保護



結論
使用集成電源調(diào)節(jié)的節(jié)能型螺線管控制器有很多好處。為了實現(xiàn)節(jié)能的目的,電流調(diào)節(jié)是致動器力控制最為精確的方法。由于這種系統(tǒng)不受線圈電阻、電源電壓和溫度變化的影響,因此無需增加余量。另外,系統(tǒng)可靠性也得到了提高,因為螺線管行為經(jīng)過了反復優(yōu)化。最后,還降低了系統(tǒng)成本。由于能量得到精確控制,使用更小、更便宜的線圈,便可輕松獲得可以接受的驅動性能。

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