摘要：為了實現(xiàn)缸內直噴汽油機(GDI)噴油量、噴油正時和噴油速率的精確控制，對噴油器驅動電路提出更高的要求。設計了一種GDI發(fā)動機噴油器驅動電路，該電路由BOOST升壓、高端自舉驅動和電流分段控制電路等模塊組成，采用雙電源供電，以硬件控制方式實現(xiàn)三段驅動反饋電流控制，節(jié)省了軟件資源。實驗表明，該電路可以有效減小噴油器的開啟時間和關閉時間，滿足噴油器對驅動性能的要求。
關鍵詞：噴油器驅動電路；BOOST升壓；高端自舉驅動；電流分段控制
缸內直噴汽油機(GDI)燃油噴射系統(tǒng)將燃油以噴霧形式直接送入氣缸中，在缸內實現(xiàn)油氣混合。通過改善噴霧特性，在缸內形成理想混合氣是GDI能夠實現(xiàn)其在燃油經濟性和排放特性方面優(yōu)勢的關健。噴霧特性除與噴油器本身的特性有關外，還需要一個高效的噴油器驅動電路，實現(xiàn)對噴油量、噴油正時和噴油速率的精確控制。北京航空航天大學開發(fā)了基于GDI噴油器專用驅動芯片L9707的噴油器驅動電路，但目前該芯片在國內市場上無法買到。為此，筆者設計了一種缸內直噴汽油機噴油器驅動電路，采用運用芯片以硬件方式實現(xiàn)噴油器驅動所需的三段驅動電流，減少對軟件資源的占用，滿足GDI發(fā)動機對復雜噴射的要求。
1 驅動電路總體設計方案
如圖1所示，理想的噴油器驅動電流要求分為3個階段：上升階段(T0—T1)、拾波階段(T1—12)和保持階段(T2—T3)。在上升階段，需要一個高電壓直接作用在噴油器電磁閥線圈上，加快驅動電流上升速度，以縮短噴油器開啟時間；在拾波階段，仍需提供較大保持電流，以防止電流突變導致噴油器針閥意外落座；在保持階段，驅動電流下降到一個較小的值，保證噴油器處于打開狀態(tài)且功耗降低。
噴油器驅動電路結構如圖2所示，由升壓電路、高端自舉驅動電路、電流分段控制電路等組成，工作原理如下：
發(fā)動機噴油時，ECU同時產生選缸信號和高壓觸發(fā)信號，其中，選缸信號通過低端驅動電路控制相應缸號的低端MOSFET導通，其脈寬決定了噴油時間；高壓觸發(fā)信號通過高端自舉驅動電路控制高端MOSFET管M1導通，其脈寬決定了高電壓通電時長。此時，通過升壓電路得到的高電壓VH對噴油器供電，形成較大的電流，使噴油器快速開啟。
高壓觸發(fā)信號結束時，其下降沿觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，產生一個低電平信號，控制基準電壓設定電路產生一個高基準電壓。當采樣電壓低于基準電壓時，比較器輸出高電平，通過與門邏輯輸出高電平信號，允許高端MOSFET管M2工作，低電壓VL開始供電，電流增加。當采樣電壓高于基準電壓時，比較器輸出低電平。此時，M2截止，低電壓VL停止供電，電流減小。如此循環(huán)，使第一段保持電流始終穩(wěn)定在由高基準電壓確定的范圍內。
單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產生的低電平信號結束后，基準電壓設定電路產生低基準電壓。類似地，使第二段保持電流始終穩(wěn)定在由低基準電壓確定的范圍內，直到噴油結束。
2 DC／DC升壓電路
DC／DC升壓電路采用BOOST變換方式。如圖3所示，升壓電路由電流型PWM控制器UC3843、多量程電流傳感器LA28_NP、MOSFET Q1、儲能電感L1、二板管D1、儲能電容C4和電壓反饋電阻R5、RV等組成。
BOOST升壓原理是：當MOSFET管Q1導通時，二極管D1反相截止，電感線圈L1與供電電源形成閉合回路，能量以磁能形式儲存在L1中；當MOSFET管Q1截止時，由于流過L1的電流不能發(fā)生突變，所以L1兩端會產生一個與供電電源同向的感應電動勢。在它們的共同作用下，二極管D1導通，以高于電源的電壓向儲能電容V4充電。如果MOSFET反復導通和截止，就可以在儲能電容C4兩端得到高于電源電壓的電壓輸出。
UC3843通過FWM的方式控制BOOST電路的工作，其工作原理為：當電壓反饋引腳VFB輸入電壓高于2．5 V時，輸出引腳OUT為低電平，BOOST電路停止工作；當電壓反饋引腳VFB輸入電壓低于2．5 V時，引腳OUT輸出PWM信號，BOOST電路開始工作。
電容C4兩端電壓經電阻R5、RV分壓后輸入到VFB引腳。調整電阻R5、RV大小，使得輸出電壓為目標電壓時，輸入到VFB引腳的電壓恰好為2．5V，從而實現(xiàn)對輸出電壓大小的控制。
PWM輸出頻率由Rt／Ct引腳外接的R3和C3確定，最大工作頻率可達500 kHz，計算公式為：
電流傳感器LA28_NP對電流進行檢測，與UC3843配合工作，實現(xiàn)過流保護功能。當LA28_NP檢測到流過蓄能電感L1的電流為I1時，其信號輸出引腳M產生與I1成正比的電流I1／k(k=1 000)，經過采樣電阻RS轉化成電壓信號后，送入UC3843的電流取樣引腳sense。當Isense引腳輸入電壓高于1．0 V時，UC3843啟動過流保護功能，OUT引腳停止輸出PWM波，升壓電路停止工作。
因此，通過調整電阻RS的阻值，即可確定允許流過蓄能電感L1的最大電流IPk，IPK與采樣電阻RS的關系為：
3 高端自舉驅動電路
為保證MOSFET飽和導通，柵極與源極之間的壓差應大于其開啟電壓VGS(th)，且柵極電壓一般以地為參考點。在噴油器驅動電路中，高端MOSFET的柵極接電源，源板接噴油器。為此，需要設計一個高端自舉驅動電路，以提高柵極的驅動電壓，保證高端MOSFET的正常工作。
高端自舉驅動電路如圖4所示，主要包括：柵極驅動芯片IR2110、MOSFET、自舉電容C2、自舉二極管D2。
柵極驅動芯片IR2110具有獨立的高端和低端輸入通道，高端工作電壓可達500 V，輸出的電源端電壓范圍為10～20 V，邏輯電源電壓為5～15 V，可方便地與TTL、CMOS電平相匹配，具有工作頻率高，導通、關斷延遲小等特點。
高端自舉驅動電路的工作原理如下：PWM信號H_IN輸入到IR2110的高端信號輸入引腳HIN，其反相信號L_IN輸入到低端信號輸入引腳LIN。當HIN引腳輸入低電平、LIN引腳輸入高電平時，HO輸出為低電平，LO輸出為高電平，此時，MOSFET管Q1導通，由+12V、D2、C2、Q1、GND構成的充電回路對自舉電容C2充電；當HIN引腳輸入高電平、LIN引腳輸入低電平時，C2充電完畢，IR2110的引腳HO與引腳VB(C2正極)導通。此時，Q2柵源極電壓高于其開啟電壓，高端MOSFET被打開，自舉完成。此外，電阻R5和電容C5用于延時LO引腳信號輸出，以防止高壓端對地短路。
自舉元件D2、C2的選取直接影響自舉電路的驅動性能。在電路中，自舉二極管起到隔離高端電源與低端電源的作用。當Q2導通時，其柵源極開啟電壓VGS(th)完全由自舉電容提供，選用超快速恢復二極管MUR160，能夠承受電路中的全部電壓，且可以減小自舉電容反饋進電源的電荷量。此外，C2必須具有足夠的儲能才能驅動Q2的柵極，應選用鉭電容，并盡量靠近芯片。自舉電容最小的電荷量可由式(3)計算：
式中：Q1為MOSFET柵極電荷；f為工作頻率；Iqbs(max)為高端驅動最大靜態(tài)電流；ICbs(leak)為自舉電容漏電流；Qls為每個工作周期內電平轉換電路中的電荷。
自舉電容必須能夠提供不低于上述要求的電荷，為保證一定的裕量，自舉電容上的電荷必須是最小電荷量的兩倍。利用式(4)可以計算自舉電容的電容量：
式中：Vf為自舉二極管的正向壓降；VLS為低端MOSFET的壓降；VMfin為Vb與Vc之間的最小壓差。由式(3)(4)計算得自舉電容應當大于0．26μF，實際選取0．47μF，耐壓為35V的鉭電容。
4 電流分段控制電路
電流分段控制電路由基準電壓設定電路A和電流反饋控制電路B組成，如圖5所示。其中，電流傳感器反饋電壓Vf與噴油器驅動電流大小成正比，拾波和保持階段驅動電流的大小則通過輸出信號S_IN控制噴油器低壓電源的通斷來實現(xiàn)。
如圖5(A)所示，基準電壓Vref大小由分壓電阻R1、R2、R3和三極管S1共同決定：正常情況下，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出保持高電平，三極管S1導通，Vref(5-0．6)x[R2／(R2+R3)]；當高壓觸發(fā)信號結束時，其下降沿會觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出一個設定脈寬的低電平脈沖，三極管S1截止，Vref=5x(R1+R2)／(R1+R2+R3)]。
如圖5(B)所示，電流反饋控制電路主要由電壓比較器U1和與門U2構成，工作原理是：當Vref大于Vf時，U1輸出高電平，與噴油脈寬信號和PWM信號相與后，S_IN輸出一個PWM信號，控制低壓電源對噴油器供電，使電流不斷上升，電流傳感器反饋電壓Vf也隨著上升；當Vf大于Vref時，U1輸出低電平，與噴油脈寬信號和PWM信號相與后，S_IN輸出低電平，低壓電源停止對噴油器供電，使電流下降，直到Vf小于Vref。不斷重復上述動作，實現(xiàn)電流的反饋控制。
通過電流反饋和基準電壓的共同作用實現(xiàn)了電流的分段控制。
5 實驗驗證和結論
對所設計的驅動電路進行試驗，12 V電壓經過升壓后可以得到90 V高電壓。設置噴油脈寬為5 ms，所測得的電流波形如圖6所示。
噴油開始時，通過噴油器的電流在250μs內迅速上升到16 A使噴油器打開，隨后在拾波階段和保持階段分別產生5 A和2．5 A的電流，以保持噴油器持續(xù)打開直至噴油結束。
所設計的驅動電路結構簡單，實用性強。升壓電路具有過流保護功能，有效地提高了驅動電路的安全系數(shù)。采用雙電源供電方式，加快了噴油器的開啟響速度；采用三段電流驅動方式，降低了系統(tǒng)功耗，有效地延長了噴油器的使用壽命。
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