節能型螺線管驅動器設計

作者 : Maicon Bruno Hofmann,Embedded.com特約作者

螺線管(solenoid)電磁閥是一種機電執行器,其稱為活塞的磁芯可在電磁閥內自由移動。螺線管由一個螺旋形線圈和一個由鐵製成的移動鐵芯活塞組成…

螺線管(solenoid)電磁閥是一種機電執行器,其稱為活塞的磁芯可在電磁閥內自由移動。一般來說,螺線管由一個螺旋形線圈和一個由鐵製成的移動鐵芯活塞組成。

當電流通過螺線管線圈時,螺線管內會產生磁場。該磁場產生一個力,將活塞拉入。當磁場產生足夠的力來拉動活塞時,活塞會在電磁閥內移動,直至到達機械停止位置。當活塞移入電磁閥內後,磁場僅需產生將活塞固定到位的力。當電磁閥線圈中的電流消失時,活塞將在螺線管電磁閥中彈簧的推動下,返回其原始位置,圖1所示為螺線管架構。

 

圖1:螺線管架構示意圖。

(來源:https://www.electronics-tutorials.ws/register)

 

驅動電磁閥的最常見方法是在電磁閥線圈中施加所需電壓。這通常可以利用配置在高側或低側的單個功率電晶體來實現。由於螺線管線圈的電感很大,功率電晶體需要一個飛輪二極體與螺線管並聯,以便將電流推入電晶體。儘管這種方法簡單且成本低,但效率太低。這是因為螺線管電磁閥通常需要很大電流才能將活塞拉入,但當活塞被拉入後,就不再需要這麼大的電流。在簡單的驅動器方法中,當活塞被拉入並使活塞處於保持狀態時,施加在螺線管電磁閥上的電流功率,主要透過其內阻產生熱量而耗散掉。內部螺線管電阻中耗散功率可由歐姆定律公式給出。

解決此問題的另一種方法,是利用電流調節驅動器來啟動和關閉電磁閥。該驅動器可以在螺線管電磁閥中施加一個峰值電流,拉入活塞,然後,再把電流降低到活塞保持所需大小。此策略大大降低了螺線管內阻功耗。這種驅動器的另一個優點是,可以在較大的電壓範圍內利用螺線管電磁閥。這意味著驅動器允許螺線管原設計用於較低電壓(例如5V)的電磁閥,在較高電源電壓(比如12V電源)條件下工作亦不會損壞。

以下將介紹如何利用SLG47105 HVPAK元件,來實現用於兩個電磁閥的電流調節驅動器。

GreenPAK設計概念

利用單個SLG47105元件可以同時驅動兩個不同的電磁閥。SLG47105元件將控制通過螺線管電磁閥的電流,並將每個電磁閥的狀態(打開、關閉或故障狀態)通知使用者,圖2顯示了其內部架構的概念框架圖。

 

圖2:利用SLG47105實現的節能型螺線管電磁閥驅動器框架圖。

(來源:瑞薩電子)

 

圖2的右上角為高壓輸出(HVOUT)區塊的內部配置及其與外部電磁閥的連接。連接到Pin7的輸出配置為推挽式,連接到Pin8的輸出配置成開路汲極。開路汲極輸出在啟動延遲後始終保持開啟。Pin5內部連接到Pin8的N-MOSFET和內部電流放大器。Pin5用於測量螺線管電磁閥電流,將其與內部基準進行比較,並將比較結果發送到PWM控制器1。

PWM控制器1模組生成所需的PWM訊號,調節連接到Pin7和Pin8的螺線管電流。它有兩個設定點,一個是螺線管峰值電流,另一個是螺線管保持電流。PWM控制器的開/關輸入由其左側的AND埠啟動。AND埠連接至啟動延遲和Pin2,用作打開和關閉螺線管電磁閥的外部介面。

連接到AND埠的啟動延遲模組用於確保所有內部模組在IC通電時能夠正確初始化。AND埠的輸出連接到另一個延遲模組,當PWM控制器打開時,它被配置為將螺線管電流調節在其峰值電流值上。延遲50毫秒後,延遲模組切換PWM配置,以將螺線管電流調節到保持電流值。

PWM控制器1模組的開/關輸入也連接到多工器的一個輸入端。另一個多工器輸入連接到一個頻率為1Hz的方波訊號上。多工器輸出由HVOUT模組中的FAULT訊號控制。當FAULT訊號顯示沒有任何故障時,On/Off輸入緩衝通過Pin17,即電磁閥1狀態輸出。而當FAULT訊號顯示有故障時,方波訊號在該輸出端被驅動。電磁閥1狀態輸出用來驅動外部LED,並為使用者顯示螺線管電磁閥狀態。該狀態可以點亮、熄滅、或在處於故障狀態時,LED以方波輸出頻率閃爍。

Pin14提供了一個附加FAULT輸出作為開路汲極輸出。該輸出用於驅動外部設備,如微控制器。

圖2中,PWM控制器1下方是PWM控制器2。PWM控制器2周邊的控制架構與PWM控制器1類似。

兩個FAULT輸出可以與外部連接,因為它們是汲極開路輸出,如果其中一路輸出有問題,另一個還可為外部設備提供FAULT訊號。另一個模組是I2C;用於峰值電流和保持電流的再配置。

應用電路

圖3所示為本文使用的典型應用電路。

 

圖3:典型應用電路的簡化原理圖。

(來源:瑞薩電子)

 

圖3所示為驅動兩個不同電磁閥(標識為S1和S2)的典型應用簡化示意圖。如圖所示,驅動器由連接到5V電源的兩個按鍵控制。電磁閥與一個0.1Ω的小電阻器分別連接到各自的HVOUT輸出。此電阻器用於對通過電磁閥的電流進行外部測量,終端應用不需要此電阻器。對於SLG47105電流測量,兩個0.11Ω的電阻器連接到Pin5和Pin12,電磁閥狀態輸出連接到綠色LED,故障輸出連接到紅色LED。

本文使用兩個完全不同規格的螺線管電磁閥。表1顯示了電磁閥S1和S2的主要參數。

 

表1:螺線管電磁閥S1和S2的參數指標。

(來源:瑞薩電子)

 

螺線管電磁閥電流設置

螺線管電磁閥電流將從調節峰值電流開始,在初始延遲後,將其降低到保持電流值。本文任意定義保持電流應為額定峰值電流的20%。基於此定義,透過測量檢測電阻上的電壓和電流,就可以計算保持電流的耗散功率。表2中提供每個螺線管電磁閥的理想螺線管電磁閥電流、耗散功率和檢測電阻器上的電壓。

 

表2:內部電壓基準和各自的電流和耗散功率。

(來源:瑞薩電子)

 

峰值電流值指的是額定電壓上的螺線管電磁閥額定電流,透過將峰值電流乘以0.2 (20%)來計算保持電流。根據峰值電流和保持電流,可計算出內部螺線管電阻的耗散功率。具體方法是根據通過0.11Ω的檢測電阻器的電流,再利用歐姆定律即可計算其結果。同理,利用額定螺線管電磁閥電壓及其峰值電流值,可計算S2的額定線圈電阻。

需要特別注意的是,用於與SLG47105中的檢測電阻電壓進行比較的參考電壓由內部6位元DAC提供。必須利用調節電流將電壓調整到與SLG47105內部參考電壓最接近的值。考慮到這一點,應選擇表3所示的電壓參考值,表3顯示了內部電壓和各自的電流。由於外部電壓在電路內部被放大8倍,故所有內部值都是所需檢測電阻電壓的8倍,利用歐姆定律計算通過檢測電阻器的峰值和保持電流值。

 

表3:內部電壓基準和各自的電流和耗散功率。

(來源:瑞薩電子)

 

請注意,表3中標有(*)的值是在計算中得到的,不過,這些值似乎是不太可能,因此不代表實際情況。對於S2,峰值電流不需要電流調節,因為螺線管電磁閥的內阻會限制電流,考慮到這一點,決定將參考值設置為最大電流值。

(參考原文:Designing a power-saving solenoid driver: Design concepts,by Maicon Bruno Hofmann)

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌202212月號

 

 

 

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