常見的驅動螺線管的應用技巧

所有電源系統的主要目的都是維持高水平的持續供電能力，并在出現不可承受狀態時，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，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。本文為我們介紹繼電器、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展趨勢。本文還列舉了一些接電裝置應用電路的例子

從表面上看，我們可能認為驅動螺線管或閥門執行器接縫非常簡單。老實說，在大多數情況下確實如此。打開或關閉電流并不是很困難。但是，如果我們的應用程序需要非常快速地打開/關閉負載驅動怎么辦?實現這一目標的最佳方法是什么?

我有一些建議。

通常需要非常快速地驅動線圈開/關的應用

(1) 點陣/針式打印機頭中的螺線管。9p、18p 或 24p 打印頭的每個針都有一個線圈。針的頻率響應將直接決定打印速度。

(2) 汽車選擇性催化還原(SCR)系統中的閥門。這些應用需要高達 30Hz 的高頻運動，以獲得更好的系統控制精度。

(3) 工業系統中的氣閥。這些應用通常需要高頻響應以加速氣動設備。

2.問題：當驅動頻率增加時有什么問題?

我相信我們會發現問題出在關閉螺線管/執行器所需的時間;快速打開它不是問題。

當我們關閉感性負載時，由于自感的性質，流動的電流不會瞬間改變。因此，通常讓電流流過續流二極管或場效應晶體管 (FET)。我在下面畫了一個例子。

衰減電流有很多名稱。我們可能會使用以下術語之一：再循環電流、感應反沖或反激或續流電流。

在半橋驅動場景中，再循環電流可以流過體二極管或對面的 MOSFET(需要互補控制)。無論電流通過二極管還是導通狀態 MOSFET 衰減，衰減速率通常都很慢，這意味著關斷時間很慢。

該問題在螺線管/執行器完全打開并即將關閉的釋放點復雜化。你有最大的電流流動和最大的磁通密度，導致電磁力難以減少。

我們將體驗到執行器釋放的延遲。當驅動開/關頻率增加到某個閾值時，執行器可能會一起停止運動。

3.解決方案：如何快速發布

基本思想是讓我們構建一個可以提供最大量電壓的電路，該電壓可以快速將再循環電流衰減到零。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(線圈的內阻)也被忽略，衰減時間可以估計為

Δt = L*Δi/V C

DRV8803 提供了一個特殊引腳“VCLAMP”，從而能夠添加 TVS 或齊納二極管以實現快速電流衰減。

對于 DRV8803，OUTx 的電壓應 < 60V。由于 V OUTx = VM + V forward + V zener，因此 V zener應 < 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閉時間的全橋

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，全橋快速衰減驅動沒有 TVS 產生的額外熱量。所以，如果你真的關心頻率響應和更好的熱性能，使用全橋驅動一個線圈可以有很大的價值。

4.示例：

這是汽車 SCR 閥應用的示例。

VM=24V，正常驅動結構，頻響只能滿足14Hz。但是，當使用具有 24V 鉗位 TVS 的 DRV8803 或具有全橋快速衰減模式的 DRV8801 (Q1) 驅動時，頻率響應可以增加到 45Hz。

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

有關使用 H 橋驅動螺線管的更多信息，請查看使用 DRV8841/42 驅動螺線管。TI 有許多專門針對螺線管應用的驅動器，這些驅動器集成了 4 或 8 個低側驅動器，包括DRV8803、DRV8804、DRV8806和DRV8860。