在开关设备应用中有效驱动螺线管线圈

作者：Sanjay Pithadia，德州仪器 (TI) 高级模拟应用工程师

引言
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。本文为您介绍继电器、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。

过电流保护器件（例如：断路器等），用于保护导体不受过电流的损害。设计这些保护器件的目的是，让电路中的电流保持在一个安全水平，以防止电路导体器过热。电流接触器主要用于连接或者断开导体接触电流。它们用于一些频繁或者长期不变的导通-断开连接。

为了保护电路免受强电流的损害，保护性器件必须知道故障状态何时出现，并能自动将电气设备同电源断开。过电流保护器件必须能够区分过电流与短路的区别，并以正确的方式做出反应。可以允许一定时间的小过电流，但是，随着电流量的增加，保护器件必须能够更加迅速地做出响应，例如：迅即阻止短路。

螺线管线圈特性
机电螺线管由一个围绕可移动钢或铁芯（称作"电枢"）的电磁感应线圈绕组组成。该线圈的形状可让电枢移入或移出其中心，从而改变线圈的电感，最终形成电磁（请参见图1）。电枢用于向一些机械装置提供机械力。

图1螺线管工作原理

螺线管的主要电特性是，它是一种电感器，拥有电感，这是一种对抗电流变化的特性。这就是当螺线管带电时电流不会立即达到最大水平的原因。相反，电流以一种稳定的速率增加，直到其受到螺线管DC电阻的限制为止。电感器（例如：螺线管）以集中磁场的方式存储能量。只要线路或者导体内存在电流，就会在线路周围形成磁场（尽管很小）。把线路绕成一个线圈（例如：螺线管中的线圈）以后，磁场便变得非常集中。通过电信号，电磁可用于控制机械阀门。螺线管一通电，电流便增加，从而使磁场不断扩展，直到其强至能够移动电枢为止。电枢移动会增加磁场的集中度，因为电枢自有磁质量移至更远，进入该磁场。记住，磁场变化的方向与让其形成的电流的方向相同，从而在绕组中引起反向电压。由于电枢运动时磁场迅速扩展，它会使通过螺线管绕组的电流短暂下降。在电枢运动后，电流继续沿其正常路径上升至最大水平。结果如图2中电流波形所示。注意观察电流波形上升过程中的明显下探点。

螺线管线圈驱动：电压还是电流驱动？
所前所述，螺线管的电枢用于为机械装置提供机械力。施加给电枢的力与电枢位置变化时线圈的电感变化成比例关系。另外，它还与流经线圈的电流成比例关系（根据法拉第的电感定律）。方程式1计算螺线管电磁对某个通过电荷所施加的力：

力=Q ×V×（磁常量× N × I），（1）

其中，Q为通过点电荷的电荷；V为该点电荷的速度；磁常量为4π×10–7；N为螺线管线圈的匝数；I为通过螺线管的电流。这表明，螺线管的电磁力直接与电流有关。

传统上，电压驱动用于驱动螺线管线圈；因此，线圈内持续消耗电力。这种功率消耗的一个不利影响是线圈发热，之后扩散至整个继电器。线圈温度由环境温度、V×I线圈功耗带来的自发热、接触系统引起的发热、涡电流产生的磁化损耗以及其它热源（例如：继电器附近的一些组件）共同决定。由于线圈发热，线圈电阻增加。高温电阻计算方法如方程式2所示：

其中，RCoil_20°C为电阻20°C值，而kR_T则为铜的热系数，其等于0.0034每摄氏度。根据RCoil_20°C（一般可在螺线管线圈产品说明书中找到），可计算得到高温下的极端线圈电阻。在电路设计期间，需注意进行极端条件下的相关计算，例如：工作拾取电压的最高可能线圈温度。

图2 螺线管电流

 
需要注意的另一点是，就特定线圈而言，在任何条件下拾取电流都保持不变。拾取电流取决于拾取电压和线圈电阻（IPick-up= VPick-up/RCoil）。大多数继电器均由铜线制成。根据方程式2，由于线圈温度上升，线圈电阻增加。因此，热线圈的拾取电压应更高，以产生要求的拾取电流。例如，如果一个12VDC继电器的拾取电压为9.6VDC，并且20°C下线圈电阻为400 ，则IPick-up= 24 mA。当线圈温度上升至40°C时，线圈电阻增加至432 。因此，拾取电压为10.36 VDC。（拾取电流保持不变。）换句话说，温度增加20°C，拾取电压上升0.76VDC。继电器使用更高占空比时，由于线圈的温度上升，每个连续周期的拾取电压可能会稍微上升。图3表明，如果使用电压驱动，则用户可能不得不对线圈进行超裕度设计。

图3 螺线管电压驱动的超裕量设计
 

简而言之，由于电流随线圈电阻、温度、电源电压等变化而变化，因此电压驱动迫使我们只能进行超裕度设计。所以，对于许多螺线管的器件来说，使用电流驱动是最佳方式。

功耗优化
关闭一个继电器或者阀门，要求使用大量的能量。激活螺线管致动器的瞬间电流（称作"峰值电流"，Ipeak）会非常高。但是，一旦继电器或者阀门关闭，将其维持在这种状态下所要求的电流（称作"保持电流"，IHold）则大大小于峰值电流。一般而言，保持电流均小于峰值电流：IHold<< IPeak。

使用电压驱动时，螺线管线圈的电流持续，并且高于使用电流驱动的情况（图4）。与电压驱动不同，电流驱动无需为温度或者螺线管差异引起的参数变化留出余量。这种设计要求使用单独的峰值电流值（大小可能为数安培），并同时使用固态保持电流（可能仅为峰值电流值的1/20）。

图4 电压驱动和电流驱动的螺线管电流
 

螺线管线圈驱动的电流控制实施
传统上，我们直接通过微控制器（MCU）的通用输入/输出（GPIO）来驱动螺线管线圈（图5a）。通过一个由MCU的GPIO控制的一个开关，激活线圈。人们开发出了一种新的驱动系统，其使用波形的脉宽调制（PWM）（图5b）。线圈经由一个受MCU的PWM控制的开关来激活，然后占空比决定通过线圈的平均电流。我们使用了德州仪器DRV110，它是一种带有集成电源调节的节能型螺线管控制器（图5c）。这种基于DRV110的系统，设计它的目的是通过较好控制的波形来调节电流，以降低功耗。在初始上升以后，螺线管电流保持在峰值上，以确保正常工作，之后降至某个更低的保持水平，目的是避免发热问题和降低功耗。图6的曲线图比较了传统驱动器和DRV110的工作情况。注意，其它一些方法也可降低电压，但却需要一定的开销才能保证在各种温度下保持电流始终不变。

图5 线圈驱动方法
 

图6 传统驱动器和DRV110工作原理比较
 

图7显示了基于DRV110的一个典型应用电路。DRV110控制通过螺线管的电流（LS），如图7所示。EN引脚电压被（内部或者外部驱动器）拉高时，激活开始。在激活之初，DRV110允许负载电流升高至峰值（IPeak），然后在降低至IHold以前对其进行tKeep时间的调节。只要EN引脚维持高电平，则把负载电流调节至保持值。初始电流上升时间取决于螺线管的电感和电阻。一旦EN引脚被驱动至GND，则DRV110允许螺线管电流降至零。

图7 DRV110和螺线管电流波形的典型应用电路

 
计算DRV110的IPeak和IHold
DRV110的激活（峰值）电流由线圈的"导通"电阻和继电器要求的拾取电压所决定。最高温度电阻值（RCoil_T(max)）和继电器额定工作电压（Vnom）可用于计算最高温度下要求的IPeak值：
 

DRV110的保持电流由线圈的"导通"电阻以及避免继电器出现压降所要求的电压决定。为了使继电器不出现压降，制造厂商均在其产品说明书中列出了建议电压值；但是，应为振动和其它意外情况留出一定的余量。许多继电器制造厂商把额定电压的35%作为安全极限。假设这一极限值够用，则可使用RCoil_T(max)值和继电器额定工作电压（Vnom）来计算不同工作温度的IHold值：

 
接电装置应用举例
如果在规定时间负载超出器件的额定电流，则过载保护会让器件断开电路连接。图8所示保护电路实现通过测量电流和电压来产生激活（EN）信号。（为了简化图8-10，未显示OSC、PEAK、HOLD和KEEP的DRV110引脚连接。）

图8 过载保护

 
磁接触器需要一个电流通过线圈，以移动该接触器进入关闭或者开启位置。图9显示了使用DRV110的一个接触器系统的RMS电压检测电路实现。

图9 RMS电压检测磁接触器系统
 

利用DRV110还可以实现欠压和过压保护（图10）。使用两个比较器来测量高低阈值电压。根据每个比较器的输出，SR触发器向DRV110发送一个激活（EN）信号。

图10 欠压和过压保护

 

结论
使用集成电源调节的节能型螺线管控制器有很多好处。为了实现节能的目的，电流调节是致动器力控制最为精确的方法。由于这种系统不受线圈电阻、电源电压和温度变化的影响，因此无需增加余量。另外，系统可靠性也得到了提高，因为螺线管行为经过了反复优化。最后，还降低了系统成本。由于能量得到精确控制，使用更小、更便宜的线圈，便可轻松获得可以接受的驱动性能。