设计节能螺线管驱动器：设计实现

遵循上一篇文章描述了节能螺线管驱动器的概念，在本文中，我们希望进一步开发此主题，并提出一个使用第47105页.

完整的内部SLG47105设计如图1所示。以下小节将解释本设计的各个部分。此设计创建于转到配置软件中心的GreenPAK Designer项目（设计文件为此处可用).

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图1。完整SLG47105内部设计概述

振荡器1

图2显示了OSC1块及其内部配置。OSC1块是为PWM控制器块提供时钟信号的振荡器。时钟频率为6.25Mhz。此块始终处于打开状态。

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图2:OSC1块信号和内部配置

振荡器0

图3显示了OSC0块及其内部配置。OSC0为启动延迟块和低频方波发生器提供时钟。

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图3。OSC0块及其内部配置

启动延时块

图4显示了用于启动时间延迟功能的所有块。此功能的主要模块是CNT0/DLY0/FSMO组件。其配置如图4所示。CNT0将延迟反转的POR信号几乎2毫秒，在该初始时间之后在READY信号连接中升高正边缘。需要该初始启动时间，以确保所有内部和外部组件（电源和电容器）准备好正确驱动电源输出并调节电磁阀电流。

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图4。启动时间延迟块。左侧显示CNT0/DLY0/FSM0配置

高压输出

图5显示了HVOUT CTRL0连接及其内部配置。HVOUT CTRL0是控制SLG47105内部功率晶体管的模块。

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图5。HV OUT CTRL0块连接和配置

该模块控制连接到S1电磁阀的功率晶体管。通电时，块被停用。它由连接在Sleep0和Sleep1输入端的反相POR信号激活。引脚8的输出总是被设置为通过连接在输入IN1中的相同反相POR信号激活推挽低侧。然而，仅当连接到OE1输入的READY信号处于高电平时，输出晶体管才有效。引脚7的推挽输出完全由PWM控制器块控制（其操作将在下面解释）。

此外，HVOUT CTRL 0块提供FAULT_A信号以指示何时在该电力输出中出现故障状况。

HVOUT CTRL 1块以与HVOUT CTRL 0块相同的方式配置。它的连接行为类似，目的类似。HVOUT CTRL 1块通过引脚9和10连接到S2电磁阀。该模块连接到PWM控制器2模块，并为其运行中的任何故障提供FAULT_B信号。

PWM控制器和电流调节

图6显示了黄色方框内的PWM控制器1块。该块由四个组件构成：PWM0、PWM斩波器0、CNT1/DLY1和配置为and门的LUT（查找表）2-L1。这四个部件根据电流比较器CCMP0提供的信号调整电磁阀S1的PWM输出。

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图6。PWM控制器1块位于黄色框内

图6左侧是PWM0模块的内部配置。PWM0模块生成具有死区时间的互补PWM。两个互补PWM信号用于2-L1 AND端口，以启用/禁用HV GPO0输出。HV GPO0在开启高压侧晶体管之前被禁用，作为保护措施。PWM0块的OUT+输出连接到PWM斩波器0，以由电流比较器CCMP0信号斩波。PWM斩波器0的消隐输入连接到CNT1/DLY1。CNT1/DLY1将向消隐时间输入产生200纳秒的短脉冲，从而允许最小的PWM接通时间。PWM斩波器0的输出连接到HV OUT CTRL0块的IN0输入，控制HV GPO0的推挽输出。如图6所示，PWM0块为电流比较器CCMP0提供动态参考。PWM0被配置为使用寄存器文件数据来设置电流比较器的最大PWM和参考电压。只有两个值在使用，第一个值用于峰值电流，字节8，第二个值用于保持电流，字节9。当PWM0输入占空比CLK中的正沿上升时，将发生配置变化。

连接到PWM0模块输入的组件如图7所示。这些部件是一个与门，连接到PWM0的PWR DOWN输入，CNT3/DLY3连接到PWMO的占空比CLK输入。与门作为S1开/关引脚信号的使能器。当READY信号处于高电平时，来自该引脚的信号可以在启动延迟时间之后打开PWM0块。

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图7。PWM0组件的输入连接

AND端口的输出开启PWM0块，并在IPEAK TIME延迟组件中延迟50毫秒。此模块的延迟控制PWM将在其峰值调节电磁阀电流的时间。在此时间之后，为PWM0的占空比CLK输入产生正沿，并且增加参考寄存器字节，从而改变电流比较器CCMP0的PWM值和参考电压。当SOL1_CMD处于高电平时，PWM0输出被打开，而当SOL1_CMD处于低电平时。

电流比较器CCMP0用于调节螺线管电流，该组件的配置如图8所示。电流比较器内部将引脚5中的电压放大8（见图8中的in+增益）。

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图8。CCMP0配置和与PWM斩波器0的连接

在设置用于比较的参考电压时，必须考虑该乘数。该组件通过反相POR信号打开，并且在POR之后始终打开。CCMP0的IN输入连接到PWM0 CCMP0 VREF输出。该输出将提供寄存器文件数据的字节8和9的电压参考。寄存器文件数据如图9所示。

图9。注册数据文件配置

PWM控制器2的结构类似于PWM控制器1的结构。用于电流调节的寄存器字节为字节0和1。PWM控制器2的组件如图10所示。需要注意的是，PWM控制器1和PWM控制器2中的电磁阀电流设置不同。电流调节是独立的，PWM值也是独立的。

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图10。PWM控制器2的结构和连接

电磁阀状态指示和故障信号

图11显示了用于电磁阀状态指示和故障输出信号的部件。管道延迟组件用于生成1Hz方波信号。其配置如图11左侧所示。该组件将OSC0输出时钟分频以生成该方波信号。信号FAULT_A和FAULT_B是相应螺线管S1和S2的故障信号。这些信号被注册以避免输出引脚中的毛刺。各个引脚被配置为漏极开路输出。连接到电磁阀状态指示器的输出引脚配置为推挽输出。

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图11。电磁阀状态指示和故障输出信号

I2C型

I2C在设计中保持活动状态，允许用户通过外部设备设置PWM值。没有连接到I2C块的内部信号，只有连接到它的各个外部引脚。

验证原型

图12显示了为测试该设计而构建的验证原型的图片。原型使用SLG47105 DIP板组装在试验板上。

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图12。验证原型

试验程序

原型测试程序包括按下相应的电磁按钮，然后验证以下内容：

柱塞移动和位置：当驱动器启动电磁阀柱塞时，必须将其拉入。当柱塞处于活动状态时，驱动器必须将其保持在拉入位置。当驱动器停用时，驱动器必须将柱塞从其拉入位置释放，并将其返回到断电位置。

LED指示灯：当电磁阀停用时，其绿色LED指示灯必须熄灭。当电磁阀启用时，其LED绿色指示灯必须点亮。当相应的电磁阀输出出现故障（短路）时，电磁阀绿色指示灯须以1Hz的频率闪烁。出现故障时，故障红色LED指示灯必须点亮，否则熄灭。

电流测量：必须测量最大峰值和保持电流，并应符合设计值。

为了测量通过螺线管的电流，我们增加了一个0.1的小电阻Ω （0.1%）与每个电磁阀串联。

使用示波器的两个通道测量通过该电阻器的电压。使用的示波器是Hantek 6022BE。电流（安培）为：

测试结果电磁阀S1

图13显示了激活电磁阀S1时的测量电流。该图显示了通过电磁阀的初始峰值电流，在50.7毫秒后，电流减小到保持值。

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图13。电磁阀S1电流测量。通过数学通道M显示的电流等于（CH1–CH2）

图14显示了峰值电流及其测量值的详细视图。测得的峰值电流值为113mV，对应于1.13A。

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图14。电磁阀S1峰值电流测量的闭合视图。光标位于数学通道M上，其中M=（CH1–CH2）

图15显示了保持电流测量的近距离视图。测得的最大保持电流为25.5mV，相当于255mA。

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图15。保持电流测量的电磁阀S1闭合视图。光标位于数学通道M上，其中M=（CH1–CH2）

图16显示了螺线管S1（峰值电流设置）激活期间引脚7（HV_GPO0）中产生的PWM。图16显示了PWM占空比随时间的减少。

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图16。电磁阀S1峰值电流PWM已应用

图17显示了电磁阀S1处于保持电流调节时施加的PWM。图中的光标显示高端晶体管的接通时间。

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图17。保持电流调节中产生的电磁阀S1 PWM

图18显示了SLG47105用于测量保持电流调节中电磁阀电流的感测电阻器处的电压。

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图18。驱动电磁阀处于保持电流调节状态时，感测电阻器中的电磁阀S1电压

图19显示了当电磁阀S1短路（故障状态）时施加到电磁阀S1的PWM。

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图19。输出短路时电磁阀S1驱动器PWM

测试结果电磁阀S2

图20显示了激活电磁阀S2时的测量电流。该图显示了通过螺线管的初始峰值电流，并且在接近50毫秒后，电流减小到保持值。在电流调节从峰值切换到保持值之前，测量电流出现明显下降。出现这种谷的原因是螺线管（柱塞）的移动芯产生的反电磁力（EMF）。当柱塞开始移动时，其在电磁阀磁场中的移动会在线圈绕组中感应出电流，从而抵消将铁芯拉入电磁阀的电流。当柱塞到达其极限点并停止移动时，此效果结束。

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图20。电磁阀S2电流测量概述。通过数学通道M显示的电流等于（CH1–CH2）

图21显示了峰值电流及其测量值的详细视图。测得的峰值电流为66.5mV，意味着峰值电流值为665mA。

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图21。电磁阀S2峰值电流测量的闭合视图。通过数学通道M显示的电流等于（CH1–CH2）

图22和图23显示了保持电流及其值的测量结果。图22显示了通道1中的光标值，图23显示了通道2中的光标值。通道1中的光标读数为55.4mV，通道2中的光标读数是38.7mV。两者之间的差值等于16.7mV，意味着螺线管中的电流为167mA。

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图22。电磁阀S2闭合保持电流视图。光标位于通道1的顶点

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图23。电磁阀S2闭合保持电流视图。光标位于通道2的顶点

图24显示了电磁阀S2处于保持电流调节状态时施加的PWM。

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图24。保持电流调节中应用PWM的电磁阀S2视图

图25显示了SLG47105用于测量保持电流调节中电磁阀电流的感测电阻器处的电压。

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图25。检测电阻器中的电磁阀S2电压，驱动电磁阀处于保持电流调节

电流测量汇总

表1显示了计算和测量的每个螺线管的峰值和保持电流之间的比较。

表1。测量电流和计算电流的比较。所有电流值均以mA为单位。

功率测量汇总

表2显示了每个螺线管的计算和测量（考虑测量电流和标称电阻）功率之间的比较。

表2。测量和计算功耗的比较。所有功率值均以mW为单位

表3显示了使用节电螺线管驱动器实现的计算和测量的节电。此计算考虑了标称功耗。

表3。计算和测量的节电比较

结论

本文展示了双节能螺线管驱动器的实现。结果表明，根据保持电流与峰值电流的比率，驱动器可以为两个螺线管实现巨大的功率节省。比率越高，节电率越高。然而，重要的是，该比率取决于应用程序。减小保持电流将减小保持柱塞拉入电磁阀的力。

重要的是讨论计算电流和测量电流的比较结果（再次参见表1）。两个电磁阀的保持电流都有显著误差，高于10%。通过对绝对和百分比电流误差的分析，可以说存在增益和偏移误差的副作用。如表1所示，绝对误差随着电流设定值的增加而增加，这是增益误差的信号。该增益误差可能与感测电阻器精度的限制相关。然而，当电流减小到保持值时，百分比误差的增加表示偏移误差。这意味着一个几乎恒定的误差，这将与较低的值更相关。偏移误差似乎比增益误差更相关。不幸的是，无法识别此错误的来源。一些假设是SLG47105电流比较器中的错误或示波器电流测量中的错误。

注：所有图片和表格均由瑞萨电子公司提供。

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麦康·布鲁诺·霍夫曼2008年毕业于圣卡塔琳娜州立大学电气和电子工程专业，2016年获得巴拉那联邦理工大学硕士学位。自2009年以来，他一直致力于嵌入式系统的硬件和固件开发。他的兴趣是电子、可配置设备、固件开发和数字信号处理领域。