在開關(guān)設(shè)備應(yīng)用中有效驅(qū)動(dòng)螺線管線圈

作者：Sanjay Pithadia，德州儀器 (TI) 高級(jí)模擬應(yīng)用工程師

引言
所有電源系統(tǒng)的主要目的都是維持高水平的持續(xù)供電能力，并在出現(xiàn)不可承受狀態(tài)時(shí)，最小化其影響范圍和斷電時(shí)間。功率損耗、電壓下降、過(guò)電流和過(guò)壓總會(huì)出現(xiàn)，因?yàn)槲覀儫o(wú)法避免自然事件、物理事故、設(shè)備故障或者人為誤操作。組合使用一些器件，用于保護(hù)電氣設(shè)備免受這些事件的損害，也即“接電裝置”。螺線管和繼電器是所有接電裝置中不可或缺的組成部分。它們通過(guò)線圈通電和接觸，連接/斷開受保護(hù)設(shè)備的電源。本文為您介紹繼電器、電流接觸器和閥門中常見(jiàn)的螺線管線圈的一些特性。另外，文章還介紹了一些驅(qū)動(dòng)它們的方法，并說(shuō)明有效驅(qū)動(dòng)的發(fā)展趨勢(shì)。本文還列舉了一些接電裝置應(yīng)用電路的例子。

過(guò)電流保護(hù)器件（例如：斷路器等），用于保護(hù)導(dǎo)體不受過(guò)電流的損害。設(shè)計(jì)這些保護(hù)器件的目的是，讓電路中的電流保持在一個(gè)安全水平，以防止電路導(dǎo)體器過(guò)熱。電流接觸器主要用于連接或者斷開導(dǎo)體接觸電流。它們用于一些頻繁或者長(zhǎng)期不變的導(dǎo)通-斷開連接。

為了保護(hù)電路免受強(qiáng)電流的損害，保護(hù)性器件必須知道故障狀態(tài)何時(shí)出現(xiàn)，并能自動(dòng)將電氣設(shè)備同電源斷開。過(guò)電流保護(hù)器件必須能夠區(qū)分過(guò)電流與短路的區(qū)別，并以正確的方式做出反應(yīng)?？梢栽试S一定時(shí)間的小過(guò)電流，但是，隨著電流量的增加，保護(hù)器件必須能夠更加迅速地做出響應(yīng)，例如：迅即阻止短路。

螺線管線圈特性
機(jī)電螺線管由一個(gè)圍繞可移動(dòng)鋼或鐵芯（稱作“電樞”）的電磁感應(yīng)線圈繞組組成。該線圈的形狀可讓電樞移入或移出其中心，從而改變線圈的電感，最終形成電磁（請(qǐng)參見(jiàn)圖1）。電樞用于向一些機(jī)械裝置提供機(jī)械力。

圖1螺線管工作原理

螺線管的主要電特性是，它是一種電感器，擁有電感，這是一種對(duì)抗電流變化的特性。這就是當(dāng)螺線管帶電時(shí)電流不會(huì)立即達(dá)到最大水平的原因。相反，電流以一種穩(wěn)定的速率增加，直到其受到螺線管DC電阻的限制為止。電感器（例如：螺線管）以集中磁場(chǎng)的方式存儲(chǔ)能量。只要線路或者導(dǎo)體內(nèi)存在電流，就會(huì)在線路周圍形成磁場(chǎng)（盡管很小）。把線路繞成一個(gè)線圈（例如：螺線管中的線圈）以后，磁場(chǎng)便變得非常集中。通過(guò)電信號(hào)，電磁可用于控制機(jī)械閥門。螺線管一通電，電流便增加，從而使磁場(chǎng)不斷擴(kuò)展，直到其強(qiáng)至能夠移動(dòng)電樞為止。電樞移動(dòng)會(huì)增加磁場(chǎng)的集中度，因?yàn)殡姌凶杂写刨|(zhì)量移至更遠(yuǎn)，進(jìn)入該磁場(chǎng)。記住，磁場(chǎng)變化的方向與讓其形成的電流的方向相同，從而在繞組中引起反向電壓。由于電樞運(yùn)動(dòng)時(shí)磁場(chǎng)迅速擴(kuò)展，它會(huì)使通過(guò)螺線管繞組的電流短暫下降。在電樞運(yùn)動(dòng)后，電流繼續(xù)沿其正常路徑上升至最大水平。結(jié)果如圖2中電流波形所示。注意觀察電流波形上升過(guò)程中的明顯下探點(diǎn)。

螺線管線圈驅(qū)動(dòng)：電壓還是電流驅(qū)動(dòng)？
所前所述，螺線管的電樞用于為機(jī)械裝置提供機(jī)械力。施加給電樞的力與電樞位置變化時(shí)線圈的電感變化成比例關(guān)系。另外，它還與流經(jīng)線圈的電流成比例關(guān)系（根據(jù)法拉第的電感定律）。方程式1計(jì)算螺線管電磁對(duì)某個(gè)通過(guò)電荷所施加的力：

力=Q ×V×（磁常量× N × I），（1）

其中，Q為通過(guò)點(diǎn)電荷的電荷；V為該點(diǎn)電荷的速度；磁常量為4π×10–7；N為螺線管線圈的匝數(shù)；I為通過(guò)螺線管的電流。這表明，螺線管的電磁力直接與電流有關(guān)。

傳統(tǒng)上，電壓驅(qū)動(dòng)用于驅(qū)動(dòng)螺線管線圈；因此，線圈內(nèi)持續(xù)消耗電力。這種功率消耗的一個(gè)不利影響是線圈發(fā)熱，之后擴(kuò)散至整個(gè)繼電器。線圈溫度由環(huán)境溫度、V×I線圈功耗帶來(lái)的自發(fā)熱、接觸系統(tǒng)引起的發(fā)熱、渦電流產(chǎn)生的磁化損耗以及其它熱源（例如：繼電器附近的一些組件）共同決定。由于線圈發(fā)熱，線圈電阻增加。高溫電阻計(jì)算方法如方程式2所示：

其中，RCoil_20°C為電阻20°C值，而kR_T則為銅的熱系數(shù)，其等于0.0034每攝氏度。根據(jù)RCoil_20°C（一般可在螺線管線圈產(chǎn)品說(shuō)明書中找到），可計(jì)算得到高溫下的極端線圈電阻。在電路設(shè)計(jì)期間，需注意進(jìn)行極端條件下的相關(guān)計(jì)算，例如：工作拾取電壓的最高可能線圈溫度。

圖2 螺線管電流

需要注意的另一點(diǎn)是，就特定線圈而言，在任何條件下拾取電流都保持不變。拾取電流取決于拾取電壓和線圈電阻（IPick-up= VPick-up/RCoil）。大多數(shù)繼電器均由銅線制成。根據(jù)方程式2，由于線圈溫度上升，線圈電阻增加。因此，熱線圈的拾取電壓應(yīng)更高，以產(chǎn)生要求的拾取電流。例如，如果一個(gè)12VDC繼電器的拾取電壓為9.6VDC，并且20°C下線圈電阻為400 ?，則IPick-up= 24 mA。當(dāng)線圈溫度上升至40°C時(shí)，線圈電阻增加至432 ?。因此，拾取電壓為10.36 VDC。（拾取電流保持不變。）換句話說(shuō)，溫度增加20°C，拾取電壓上升0.76VDC。繼電器使用更高占空比時(shí)，由于線圈的溫度上升，每個(gè)連續(xù)周期的拾取電壓可能會(huì)稍微上升。圖3表明，如果使用電壓驅(qū)動(dòng)，則用戶可能不得不對(duì)線圈進(jìn)行超裕度設(shè)計(jì)。

圖3 螺線管電壓驅(qū)動(dòng)的超裕量設(shè)計(jì)

簡(jiǎn)而言之，由于電流隨線圈電阻、溫度、電源電壓等變化而變化，因此電壓驅(qū)動(dòng)迫使我們只能進(jìn)行超裕度設(shè)計(jì)。所以，對(duì)于許多螺線管的器件來(lái)說(shuō)，使用電流驅(qū)動(dòng)是最佳方式。

功耗優(yōu)化
關(guān)閉一個(gè)繼電器或者閥門，要求使用大量的能量。激活螺線管致動(dòng)器的瞬間電流（稱作“峰值電流”，Ipeak）會(huì)非常高。但是，一旦繼電器或者閥門關(guān)閉，將其維持在這種狀態(tài)下所要求的電流（稱作“保持電流”，IHold）則大大小于峰值電流。一般而言，保持電流均小于峰值電流：IHold IPeak。

使用電壓驅(qū)動(dòng)時(shí)，螺線管線圈的電流持續(xù)，并且高于使用電流驅(qū)動(dòng)的情況（圖4）。與電壓驅(qū)動(dòng)不同，電流驅(qū)動(dòng)無(wú)需為溫度或者螺線管差異引起的參數(shù)變化留出余量。這種設(shè)計(jì)要求使用單獨(dú)的峰值電流值（大小可能為數(shù)安培），并同時(shí)使用固態(tài)保持電流（可能僅為峰值電流值的1/20）。

圖4 電壓驅(qū)動(dòng)和電流驅(qū)動(dòng)的螺線管電流

螺線管線圈驅(qū)動(dòng)的電流控制實(shí)施
傳統(tǒng)上，我們直接通過(guò)微控制器（MCU）的通用輸入/輸出（GPIO）來(lái)驅(qū)動(dòng)螺線管線圈（圖5a）。通過(guò)一個(gè)由MCU的GPIO控制的一個(gè)開關(guān)，激活線圈。人們開發(fā)出了一種新的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其使用波形的脈寬調(diào)制（PWM）（圖5b）。線圈經(jīng)由一個(gè)受MCU的PWM控制的開關(guān)來(lái)激活，然后占空比決定通過(guò)線圈的平均電流。我們使用了德州儀器DRV110，它是一種帶有集成電源調(diào)節(jié)的節(jié)能型螺線管控制器（圖5c）。這種基于DRV110的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)它的目的是通過(guò)較好控制的波形來(lái)調(diào)節(jié)電流，以降低功耗。在初始上升以后，螺線管電流保持在峰值上，以確保正常工作，之后降至某個(gè)更低的保持水平，目的是避免發(fā)熱問(wèn)題和降低功耗。圖6的曲線圖比較了傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器和DRV110的工作情況。注意，其它一些方法也可降低電壓，但卻需要一定的開銷才能保證在各種溫度下保持電流始終不變。

圖5 線圈驅(qū)動(dòng)方法

圖6 傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器和DRV110工作原理比較

圖7顯示了基于DRV110的一個(gè)典型應(yīng)用電路。DRV110控制通過(guò)螺線管的電流（LS），如圖7所示。EN引腳電壓被（內(nèi)部或者外部驅(qū)動(dòng)器）拉高時(shí)，激活開始。在激活之初，DRV110允許負(fù)載電流升高至峰值（IPeak），然后在降低至IHold以前對(duì)其進(jìn)行tKeep時(shí)間的調(diào)節(jié)。只要EN引腳維持高電平，則把負(fù)載電流調(diào)節(jié)至保持值。初始電流上升時(shí)間取決于螺線管的電感和電阻。一旦EN引腳被驅(qū)動(dòng)至GND，則DRV110允許螺線管電流降至零。

圖7 DRV110和螺線管電流波形的典型應(yīng)用電路

計(jì)算DRV110的IPeak和IHold
DRV110的激活（峰值）電流由線圈的“導(dǎo)通”電阻和繼電器要求的拾取電壓所決定。最高溫度電阻值（RCoil_T(max)）和繼電器額定工作電壓（Vnom）可用于計(jì)算最高溫度下要求的IPeak值：

DRV110的保持電流由線圈的“導(dǎo)通”電阻以及避免繼電器出現(xiàn)壓降所要求的電壓決定。為了使繼電器不出現(xiàn)壓降，制造廠商均在其產(chǎn)品說(shuō)明書中列出了建議電壓值；但是，應(yīng)為振動(dòng)和其它意外情況留出一定的余量。許多繼電器制造廠商把額定電壓的35%作為安全極限。假設(shè)這一極限值夠用，則可使用RCoil_T(max)值和繼電器額定工作電壓（Vnom）來(lái)計(jì)算不同工作溫度的IHold值：

接電裝置應(yīng)用舉例
如果在規(guī)定時(shí)間負(fù)載超出器件的額定電流，則過(guò)載保護(hù)會(huì)讓器件斷開電路連接。圖8所示保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)通過(guò)測(cè)量電流和電壓來(lái)產(chǎn)生激活（EN）信號(hào)。（為了簡(jiǎn)化圖8-10，未顯示OSC、PEAK、HOLD和KEEP的DRV110引腳連接。）

圖8 過(guò)載保護(hù)

磁接觸器需要一個(gè)電流通過(guò)線圈，以移動(dòng)該接觸器進(jìn)入關(guān)閉或者開啟位置。圖9顯示了使用DRV110的一個(gè)接觸器系統(tǒng)的RMS電壓檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)。

圖9 RMS電壓檢測(cè)磁接觸器系統(tǒng)

利用DRV110還可以實(shí)現(xiàn)欠壓和過(guò)壓保護(hù)（圖10）。使用兩個(gè)比較器來(lái)測(cè)量高低閾值電壓。根據(jù)每個(gè)比較器的輸出，SR觸發(fā)器向DRV110發(fā)送一個(gè)激活（EN）信號(hào)。

圖10 欠壓和過(guò)壓保護(hù)

結(jié)論
使用集成電源調(diào)節(jié)的節(jié)能型螺線管控制器有很多好處。為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的，電流調(diào)節(jié)是致動(dòng)器力控制最為精確的方法。由于這種系統(tǒng)不受線圈電阻、電源電壓和溫度變化的影響，因此無(wú)需增加余量。另外，系統(tǒng)可靠性也得到了提高，因?yàn)槁菥€管行為經(jīng)過(guò)了反復(fù)優(yōu)化。最后，還降低了系統(tǒng)成本。由于能量得到精確控制，使用更小、更便宜的線圈，便可輕松獲得可以接受的驅(qū)動(dòng)性能。