设计节能螺线管驱动器：设计概念

电磁阀原理

电磁阀是机电致动器，具有一个称为柱塞的自由移动磁芯。一般来说，螺线管由一个螺旋线圈和一个由铁制成的活动芯组成。

当电流通过电磁线圈时，电磁线圈内部会产生磁场。该磁场会产生一个力来拉动柱塞。当磁场产生足够的力来拉动柱塞时，柱塞在电磁阀内移动，直到到达机械停止位置。当柱塞已经在电磁阀内时，磁场会产生将柱塞固定到位的力。当电磁阀线圈中的电流消失时，柱塞将在电磁阀中安装的弹簧推动下返回其原始位置。

图1显示了螺线管的结构。

图1。电磁阀施工图[来源]

驱动螺线管的最常见方法是在螺线管线圈中施加所需的电压。这通常可以使用配置在高侧或低侧的单个功率晶体管来完成。功率晶体管将需要与螺线管并联的续流二极管，因为螺线管线圈具有高电感，将试图将电流推入晶体管。虽然这种方法简单且廉价，但它并不节能。这是因为螺线管通常需要大量电流来拉入柱塞，但当柱塞被拉入时，它不需要相同的电流量。在简单的驱动器方法中，当柱塞被拉入并保持柱塞时，施加到螺线管的电流主要通过其内部电阻产生热量。内部螺线管电阻消耗的功率由等式1给出。

解决此问题的另一种方法是使用电流调节驱动器来激活和停用电磁阀。该驱动器可以在螺线管中施加峰值电流值，直到它拉入柱塞，然后，它可以将电流降低到保持值。该策略大大降低了内部电磁阀电阻的功耗。该驱动器的另一个优点是可以在更大的电压范围内使用螺线管。这意味着驱动器允许设计为在较低电压（例如5伏）下工作的螺线管在较高电源电压下工作而不会损坏（例如12伏电源）。

以下各节将介绍使用SLG47105高压包装置

GreenPAK设计理念

可以使用单个SLG47105设备驱动两个不同的电磁阀。SLG47105设备将控制通过电磁阀的电流，并将通知用户每个电磁阀的状态（打开、关闭或处于故障状态）。显示其内部结构的概念框图如图2所示。

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图2:带SLG47105的节能电磁阀驱动器框图（来源：瑞萨电子公司）

图的右上方显示了高压输出（HVOUT）块的内部配置及其与外部电磁阀的连接。连接到引脚7的输出被配置为推挽式，连接到引脚8的输出被设置为漏极开路。该开路漏极输出在启动延迟后始终保持开启。引脚5内部连接到引脚8的N-Mosfet和内部电流放大器。针脚5用于测量电磁阀电流并将其与内部参考值进行比较，将比较结果发送至PWM控制器1模块。

PWM控制器1模块生成调节连接到引脚7和8的电磁阀电流所需的PWM。它有两个设定值，一个用于电磁阀峰值电流，另一个用于螺线管保持电流。PWM控制器的开/关输入由其左侧的AND端口激活。AND端口连接到启动延迟块和引脚2，引脚2用作打开和关闭电磁阀的外部接口。

连接到AND端口的启动延迟块用于确保所有内部块在IC通电时正确初始化。AND端口的输出连接到另一个延迟块。当PWM控制器打开时，其被配置为将电磁阀电流调节到其峰值电流值。延迟50毫秒后，延迟块切换PWM配置以将电磁阀电流调节到其保持电流值。

PWM控制器1块的开/关输入也连接到多路复用器的输入之一。另一个多路复用器输入连接到频率为1赫兹的方波信号。多路复用器输出由HVOUT块中的FAULT信号控制。当故障信号未指示任何故障时，接通/断开输入通过引脚17缓冲，即电磁阀1状态输出。当FAULT（故障）信号指示故障时，方波信号在此输出中被驱动。电磁阀1状态用于驱动外部LED并向用户显示电磁阀状态。当LED以方波输出频率闪烁时，可以打开、关闭或处于故障状态。

另一个FAULT输出作为引脚14中的漏极开路输出提供。该输出被设计为驱动外部设备，如微控制器。

PWM控制器1下方是PWM控制器2，如图2所示，PWM控制器2周围的控制结构类似于PWM控制器1。

两个FAULT输出可以外部连接，因为它们是漏极开路输出，如果任何输出出现故障，则为外部设备提供单个FAULT信号。

另一个模块是I2C；它可用于重新配置峰值和保持电流设置。

应用电路

图3显示了与本文一起使用的典型应用电路。

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图3。典型应用的电子电路简化示意图（来源：瑞萨电子）

图3显示了驱动两个不同螺线管（分别为S1和S2）的典型应用的简化示意图。如示意图所示，驱动器由连接到5伏电源的两个按钮控制。电磁阀与一个小的0.1Ω电阻器一起连接到各自的HVOUT输出。该电阻器用于通过电磁阀进行外部电流测量，最终应用不需要该电阻器。对于SLG47105电流测量，两个0.11Ω的电阻器连接到引脚5和12。电磁阀状态输出连接到绿色LED，故障输出连接到红色LED。

在本文中，我们使用两个规格完全不同的螺线管。表1显示了螺线管S1和S2的主要规格。

表1。电磁阀S1和S2的规格（来源：瑞萨电子公司）[单击以查看全尺寸图像]

电磁阀电流设置

电磁阀电流将从调节的峰值电流值开始，在初始延迟后，它将减小到保持电流值。我们任意定义保持电流应为标称峰值电流的20%。基于该定义，可以计算保持电流中耗散的功率和感测电阻器处的相应电压。表2显示了每个电磁阀的理想电磁阀电流、耗散功率和感测电阻器处的电压。

表2。理想配置的电流、耗散功率和感测电阻器电压（来源：瑞萨电子公司）

峰值电流值为标称电压下的电磁阀标称电流。通过将峰值电流乘以0.2（20%）来计算保持电流。峰值电流和保持电流是通过内部电磁阀电阻消耗的功率来计算的。通过0.11Ω的感测电阻器，使用欧姆定律计算感测电阻器。S2的标称线圈电阻使用标称螺线管电压及其峰值电流值计算。

需要注意的是，用于与SLG47105中的感测电阻器电压进行比较的参考电压由内部6位DAC提供。我们必须将调节电流调整到最接近的SLG47105内部参考电压。考虑到这一点，选择了表3中所示的电压参考值。表3显示了内部电压和各自的电流。所有内部值都是所需感测电阻器电压的8倍，因为外部电压在内部放大了8倍（将在下一节中详细描述）。通过感测电阻器使用欧姆定律计算峰值和保持电流值。

表3。内部参考电压、各自的电流和耗散功率（来源：瑞萨电子公司）

表3中用（*）标记的值是在计算中获得的，但这些值是不可能的，不代表实际情况。对于S2，峰值电流不需要电流调节，因为螺线管的内部电阻将限制电流。考虑到这一点，我们决定设置最大电流值的参考值。

结论

在本文中，我们讨论了螺线管的内部结构，并概述了控制螺线管装置的应用电路。在下一部分中，我们将深入到实现步骤中，并测试实际解决方案。

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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。