常见的驱动螺线管的应用技巧

所有电源系统的主要目的都是维持高水平的持续供电能力，并在出现不可承受状态时，最小化其影响范围和断电时间。功率损耗、电压下降、过电流和过压总会出现，因为我们无法避免自然事件、物理事故、设备故障或者人为误操作。组合使用一些器件，用于保护电气设备免受这些事件的损害，也即"接电装置"。螺线管和继电器是所有接电装置中不可或缺的组成部分。它们通过线圈通电和接触，连接/断开受保护设备的电源。本文为我们介绍继电器、电流接触器和阀门中常见的螺线管线圈的一些特性。另外，文章还介绍了一些驱动它们的方法，并说明有效驱动的发展趋势。本文还列举了一些接电装置应用电路的例子

从表面上看，我们可能认为驱动螺线管或阀门执行器接缝非常简单。老实说，在大多数情况下确实如此。打开或关闭电流并不是很困难。但是，如果我们的应用程序需要非常快速地打开/关闭负载驱动怎么办?实现这一目标的最佳方法是什么?

我有一些建议。

通常需要非常快速地驱动线圈开/关的应用

(1) 点阵/针式打印机头中的螺线管。9p、18p 或 24p 打印头的每个针都有一个线圈。针的频率响应将直接决定打印速度。

(2) 汽车选择性催化还原(SCR)系统中的阀门。这些应用需要高达 30Hz 的高频运动，以获得更好的系统控制精度。

(3) 工业系统中的气阀。这些应用通常需要高频响应以加速气动设备。

2.问题：当驱动频率增加时有什么问题?

我相信我们会发现问题出在关闭螺线管/执行器所需的时间;快速打开它不是问题。

当我们关闭感性负载时，由于自感的性质，流动的电流不会瞬间改变。因此，通常让电流流过续流二极管或场效应晶体管 (FET)。我在下面画了一个例子。

衰减电流有很多名称。我们可能会使用以下术语之一：再循环电流、感应反冲或反激或续流电流。

在半桥驱动场景中，再循环电流可以流过体二极管或对面的 MOSFET(需要互补控制)。无论电流通过二极管还是导通状态 MOSFET 衰减，衰减速率通常都很慢，这意味着关断时间很慢。

该问题在螺线管/执行器完全打开并即将关闭的释放点复杂化。你有最大的电流流动和最大的磁通密度，导致电磁力难以减少。

我们将体验到执行器释放的延迟。当驱动开/关频率增加到某个阈值时，执行器可能会一起停止运动。

3.解决方案：如何快速发布

基本思想是让我们构建一个可以提供最大量电压的电路，该电压可以快速将再循环电流衰减到零。面临的电压越高，电流衰减越快。

> 使用齐纳二极管或 TVS 二极管(瞬态电压抑制)

相反的电压将为 V C = V zener(TVS) + V forward。这是近似方程。

L*(Δi/Δt) – i*r = V C

如果 r(线圈的内阻)也被忽略，衰减时间可以估计为

Δt = L*Δi/V C

DRV8803 提供了一个特殊引脚“VCLAMP”，从而能够添加 TVS 或齐纳二极管以实现快速电流衰减。

对于 DRV8803，OUTx 的电压应 < 60V。由于 V OUTx = VM + V forward + V zener，因此 V zener应 < 60V – VM – 1V(典型的正向压降)。

> 使用压敏电阻(压敏电阻 VDR)

这与添加 TVS 的机制相同。只需用压敏电阻替换 TVS 二极管即可。初始反向电压将为 V C = V钳位+ V正向。

> 使用具有快速衰减关闭时间的全桥

相反的电压将为 V C = VM + 2*V forward(Body diodes)。

与使用 TVS 二极管的方法相比，全桥快速衰减驱动没有 TVS 产生的额外热量。所以，如果你真的关心频率响应和更好的热性能，使用全桥驱动一个线圈可以有很大的价值。

4.示例：

这是汽车 SCR 阀应用的示例。

VM=24V，正常驱动结构，频响只能满足14Hz。但是，当使用具有 24V 钳位 TVS 的 DRV8803 或具有全桥快速衰减模式的 DRV8801 (Q1) 驱动时，频率响应可以增加到 45Hz。

下图显示了正常和快速衰减驱动之间的驱动电流差异。凭借 55% 的占空比和 700mA 峰值，该器件在整个时间内(在 25°C 室温下)保持在或低于 35°C。

有关使用 H 桥驱动螺线管的更多信息，请查看使用 DRV8841/42 驱动螺线管。TI 有许多专门针对螺线管应用的驱动器，这些驱动器集成了 4 或 8 个低侧驱动器，包括DRV8803、DRV8804、DRV8806和DRV8860。