常見的驅(qū)動螺線管的應(yīng)用技巧

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?yàn)槲覀儫o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。它們通過線圈通電和接觸，連接/斷開受保護(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(qū)動它們的方法，并說明有效驅(qū)動的發(fā)展趨勢。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)動螺線管或閥門執(zhí)行器接縫非常簡單。老實(shí)說，在大多數(shù)情況下確實(shí)如此。打開或關(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_/關(guān)閉負(fù)載驅(qū)動怎么辦?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)動線圈開/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 打印頭的每個針都有一個線圈。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。這些應(yīng)用需要高達(dá) 30Hz 的高頻運(yùn)動，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)以加速氣動設(shè)備。

2.問題：當(dāng)驅(qū)動頻率增加時有什么問題?

我相信我們會發(fā)現(xiàn)問題出在關(guān)閉螺線管/執(zhí)行器所需的時間;快速打開它不是問題。

當(dāng)我們關(guān)閉感性負(fù)載時，由于自感的性質(zhì)，流動的電流不會瞬間改變。因此，通常讓電流流過續(xù)流二極管或場效應(yīng)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(shù)語之一：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)動場景中，再循環(huán)電流可以流過體二極管或?qū)γ娴?MOSFET(需要互補(bǔ)控制)。無論電流通過二極管還是導(dǎo)通狀態(tài) MOSFET 衰減，衰減速率通常都很慢，這意味著關(guān)斷時間很慢。

該問題在螺線管/執(zhí)行器完全打開并即將關(guān)閉的釋放點(diǎn)復(fù)雜化。你有最大的電流流動和最大的磁通密度，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)動開/關(guān)頻率增加到某個閾值時，執(zhí)行器可能會一起停止運(yùn)動。

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(shí)現(xiàn)快速電流衰減。

對于 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)動沒有 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)動一個線圈可以有很大的價值。

4.示例：

這是汽車 SCR 閥應(yīng)用的示例。

VM=24V，正常驅(qū)動結(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)動時，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)動之間的驅(qū)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(nèi)(在 25°C 室溫下)保持在或低于 35°C。

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