設(shè)計(jì)節(jié)能螺線(xiàn)管驅(qū)動(dòng)器

當(dāng)電流通過(guò)螺線(xiàn)管線(xiàn)圈時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)產(chǎn)生拉動(dòng)柱塞的力。當(dāng)磁場(chǎng)產(chǎn)生足夠的力來(lái)拉動(dòng)柱塞時(shí)，柱塞會(huì)在螺線(xiàn)管內(nèi)移動(dòng)，直到到達(dá)機(jī)械停止位置。當(dāng)柱塞已經(jīng)位于螺線(xiàn)管內(nèi)部時(shí)，磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生力將柱塞固定到位。當(dāng)電流從螺線(xiàn)管線(xiàn)圈中移除時(shí)，柱塞將在螺線(xiàn)管中安裝的彈簧的推動(dòng)下返回到其原始位置。

螺線(xiàn)管是機(jī)電執(zhí)行器，具有可自由移動(dòng)的磁芯（稱(chēng)為柱塞）。一般來(lái)說(shuō)，螺線(xiàn)管由螺旋線(xiàn)圈和鐵制成的移動(dòng)鐵芯組成。
當(dāng)電流通過(guò)螺線(xiàn)管線(xiàn)圈時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)產(chǎn)生拉動(dòng)柱塞的力。當(dāng)磁場(chǎng)產(chǎn)生足夠的力來(lái)拉動(dòng)柱塞時(shí)，柱塞會(huì)在螺線(xiàn)管內(nèi)移動(dòng)，直到到達(dá)機(jī)械停止位置。當(dāng)柱塞已經(jīng)位于螺線(xiàn)管內(nèi)部時(shí)，磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生力將柱塞固定到位。當(dāng)電流從螺線(xiàn)管線(xiàn)圈中移除時(shí)，柱塞將在螺線(xiàn)管中安裝的彈簧的推動(dòng)下返回到其原始位置。

圖 1 顯示了螺線(xiàn)管的結(jié)構(gòu)。

驅(qū)動(dòng)螺線(xiàn)管的常見(jiàn)方法是在螺線(xiàn)管線(xiàn)圈中施加所需的電壓。這通?？梢允褂门渲迷诟邆?cè)或低側(cè)的單個(gè)功率晶體管來(lái)完成。功率晶體管需要一個(gè)與螺線(xiàn)管并聯(lián)的續(xù)流二極管，因?yàn)槁菥€(xiàn)管線(xiàn)圈具有高電感，會(huì)試圖將電流推入晶體管。盡管這種方法簡(jiǎn)單且便宜，但其功率效率不高。這是因?yàn)槁菥€(xiàn)管通常需要大量電流來(lái)拉動(dòng)柱塞，但當(dāng)拉動(dòng)柱塞時(shí)，不需要相同量的電流。在簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)器方法中，當(dāng)柱塞被拉入并保持柱塞時(shí)，施加到螺線(xiàn)管的電流主要通過(guò)其內(nèi)部電阻產(chǎn)生熱量。
解決此問(wèn)題的另一種方法是使用電流調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器來(lái)激活和停用螺線(xiàn)管。該驅(qū)動(dòng)器可以在螺線(xiàn)管中施加峰值電流值，直到它拉動(dòng)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(xiàn)管電阻所消耗的功率。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(xiàn)管。這意味著驅(qū)動(dòng)器允許設(shè)計(jì)為在較低電壓（例如 5 伏）下運(yùn)行的螺線(xiàn)管在較高電源電壓下運(yùn)行而不會(huì)損壞（例如，在 12 伏電源下）。
以下部分將介紹使用SLG47105 HVPAK器件實(shí)現(xiàn)兩個(gè)螺線(xiàn)管的電流調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器。
GreenPAK設(shè)計(jì)理念
可以使用單個(gè) SLG47105 器件驅(qū)動(dòng)兩個(gè)不同的螺線(xiàn)管。SLG47105 器件將控制通過(guò)螺線(xiàn)管的電流，并通知用戶(hù)每個(gè)螺線(xiàn)管的狀態(tài)（打開(kāi)、關(guān)閉或處于故障狀態(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(xiàn)管驅(qū)動(dòng)器框圖（瑞薩電子）

該圖的右上側(cè)顯示了高壓輸出 (HVOUT) 塊的內(nèi)部配置方式及其與外部電磁閥的連接。連接到引腳 7 的輸出配置為推挽式，連接到引腳 8 的輸出配置為開(kāi)漏。該開(kāi)漏輸出在啟動(dòng)延遲后始終保持打開(kāi)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)量電磁閥電流并將其與內(nèi)部參考進(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 塊生成調(diào)節(jié)連接到引腳 7 和 8 的電磁閥電流所需的 PWM。它有兩個(gè)設(shè)定點(diǎn)，一個(gè)用于電磁閥峰值電流，另一個(gè)用于電磁閥保持電流。PWM 控制器的開(kāi)/關(guān)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(kāi)和關(guān)閉螺線(xiàn)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(kāi)時(shí)，它被配置為將螺線(xiàn)管電流調(diào)節(jié)為其峰值電流值。延遲 50 毫秒后，延遲塊會(huì)切換 PWM 配置，以將螺線(xiàn)管電流調(diào)節(jié)為其保持電流值。
PWM 控制器 1 模塊的開(kāi)/關(guān)輸入還連接到多路復(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(kāi)/關(guān)輸入通過(guò)引腳 17（即 SOLENOID 1 STATUS 輸出）進(jìn)行緩沖。當(dāng) FAULT 信號(hào)指示故障時(shí)，在此輸出中驅(qū)動(dòng)方波信號(hào)。SOLENOID 1 STATUS 旨在驅(qū)動(dòng)外部 LED 并向用戶(hù)顯示電磁閥狀態(tài)。當(dāng) LED 以方波輸出頻率閃爍時(shí)，該狀態(tài)可以打開(kāi)、關(guān)閉或處于故障狀態(tài)。
引腳 14 中提供了一個(gè)額外的故障輸出作為開(kāi)漏輸出。該輸出設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備，例如微控制器。
PWM 控制器 1 下方是 PWM 控制器 2，如圖 2 所示，PWM 控制器 2 周?chē)目刂平Y(jié)構(gòu)與 PWM 控制器 1 類(lèi)似。
兩個(gè) FAULT 輸出可以從外部連接，因?yàn)樗鼈兪情_(kāi)漏輸出，如果任何輸出出現(xiàn)故障，可以為外部設(shè)備提供單個(gè) FAULT 信號(hào)。
一個(gè)附加塊是 I2C；它可用于重新配置峰值和保持電流設(shè)置。