CN0415

电磁阀执行器基础知识

典型电磁阀执行器的电气特性主要为感性和阻性。施加于电磁阀执行器上的电压引起一个电流以电压/电感(V/L)的初始斜率斜坡上升，最终达到电压/电阻(V/R)的稳态电流。这种V/L/R特性是电磁阀通电时电流不会立即达到最大值的主要原因。电磁阀以集中磁场的形式储存能量。只要导线中有电流流动，导线周围就会产生磁场。当导线缠绕成线圈时，例如螺线管，磁场就会集中起来。这种电磁铁可以通过电信号控制机械阀。PWM可用来降低施加于电磁阀的有效电压（从而控制电磁阀电流），有效电压表示如下：

V × 占空比

一般而言，电磁阀基本上由缠绕在圆柱形管上的电线圈组成，铁磁性执行器或柱塞可自由移动或滑入滑出线圈主体，如图2所示。

电磁阀电枢上的力大致与电流成正比，与电枢和磁芯之间的间距的平方成反比。因此，双态电磁阀通常有一个线性响应的复位弹簧（或没有复位弹簧），而比例式电磁阀使用非线性弹簧，使得电枢位移与电磁阀电流成比例。电枢运动确实会影响电磁阀电流（如图3所示），但这种运动通常不会对电路运行产生重大影响。

电流检测

测量电磁阀电流是一项特别具有挑战性的任务，尤其是涉及PWM技术时。该系统使用一种由高边电流检测和低边开关组成的拓扑。在这种情况下，PWM控制开关以地为基准。感性负载（电磁阀）直接连到电源，一个分流电阻置于开关和负载之间（参见图4）。

将采样电阻放在高边的好处是可以测量全部电流，包括循环电流，因为当开关断开时，采样电阻仍在环路内。此外，高边采样电阻可以检测短路接地，从而增强诊断能力。

在这种配置中，检测电阻的共模电压在地（当MOSFET导通时）和输入电源以上0.4 V（当MOSFET关断时）之间摆动。 AD8210是一款单电源差动放大器，非常适合在有大共模电压的情况下放大小差分电压。采用5 V单电源供电时，工作输入共模电压范围为−2 V至+65 V。放大器的增益为20V/V，由内部精密低漂移电阻设置；从最大输入满量程范围250 mV峰值可产生5 V输出电压。AD8210输出计算公式如式1所示。

满量程设计电流为2 A；0.1Ω检测电阻产生4 V输出，略低于ADC的4.096V满量程输入。

检测电阻功率额定值必须支持满量程电流。对于2 A设计电流，功耗为

本设计采用1 W电阻，安全裕度为2.5。

AD8210 -3 dB带宽为450 kHz，可为高达45 kHz的PWM频率提供足够的带宽。AD8210输出由过流保护电路直接监测。图5所示为AD8210输入端的一阶低通滤波器，其有助于在数字化之前减小电流检测信号的纹波。截止频率f-3db由式3确定。

其中：

R_FILTER = 50 Ω 和 R5
C_FILTER = 4.7 μF 和C2，产生一个677 Hz的截止频率

信号路径中含有一个额外的RC低通滤波器，默认情况下它被旁路。

ADC数据采集

电磁阀电流由 LTC2312-14（一款14位500 ksps采样ADC）数字化。LTC2312-14有一个集成式基准电压源，对于3.3 V或5 V的电源电压，它可将输入范围自动优化至2.048 V或4.096 V。

内部基准电压源阻抗很低（典型值为1 Ω），故其可用于其他电路而无需额外缓冲。EVAL-CN0415-ARDZ使用ADC的基准电压源来精确设置过流阈值，它还可以用来将电流监控器的偏移设置为半量程。对于精度要求不太严格的应用，可将电磁阀电流连接到微控制器的模拟输入。

FET驱动器

脉冲宽度调制(PWM)是一种通过完全打开和完全关闭电源，改变导通时间与关断时间的比率，从而改变直流电源电压的方法。导通时间与周期（导通时间和关断时间之和）之比为PWM信号的占空比。

占空比为50%时，电压在50%的时间内开启，在剩余的50%时间内关闭。因此，时间平均电压为直流输入电源电压的50%，通过电磁阀的电流成比例地减少。此外，电磁阀的电流仅为最大电流的50%。尽管某些应用中PWM信号的频率（周期的倒数）是可变的，但它常常设置为固定值。对于给定应用，常常有一系列频率是有效的，其标准如下：

• PWM频率应远大于系统/执行器的机械响应
• PWM频率应足够低，以防开关损耗过大

与CN-0415一起使用的EVAL-ADICUP3029平台板内置PWM生成外设。控制器的输出不能直接驱动开关MOSFET——3.3V的逻辑高电压不足以充分增强MOSFET，驱动强度不足以快速切换MOSFET，导致MOSFET变到饱和状态，因而功耗增加。

LTC4441 N-MOSFET栅极驱动器解决了这些问题，在6 A电流下提供高达8 V的栅极驱动电压，能够快速切换MOSFET并将损耗降至低点。逻辑输入与TTL兼容，并可直接连到3.3 V CMOS逻辑。当电源电流小于12μA时，双功能控制输入可用来禁用驱动器或强制芯片进入关断模式。当激活时，欠压闭锁和过温保护电路会禁用驱动器输出。

过流保护电路

正常工作时，电磁阀电流由软件控制。纳入一个故障安全过流电路是明智的，以防软件故障或失效。故障检测信号既可以是中断驱动的，也可以在比例积分微分(PID)环路中检测。

CN-0415通过一个带输出锁存器的 LT1671 精密比较器来连续监视AD8210输出，从而实现此PID控制环路。过流阈值由R14和R15设置，这两个电阻形成一个由LTC2312-14的4.096V基准电压驱动的电阻分压器（参见图6）。式4是跳闸电压的表达式，其默认设置为3.41 V，对应于1.7 A的电磁阀电流。

发生过流状况时，比较器输出禁用LTC4441和锁存器。输出也被连接到微控制器通用输入/输出(GPIO)引脚，以便软件可以检测到这种状况并采取相应措施。故障清除后，比较器可以通过Q3栅极的上升沿复位。图6中使用的是上升沿检测器，而不是电平敏感复位，因为软件故障可能使复位信号保持在高电平。

电源和保护

LTC4367 过压、欠压和反向电源保护控制器提供稳健的电源输入保护。LTC4367控制一对外部N沟道MOSFET的栅极电压，确保输出保持在安全工作范围内，从而保护电源输入电压可能过高、过低甚至为负的应用。32 ms的开启延迟也会阻止50 Hz或60 Hz AC。LTC4367可承受-40 V至+100 V之间的电压，工作电压范围为2.5 V至60 V，正常工作时仅消耗70μA电流。

LTC4367包括两个精密比较器，用于监视VIN的过压和欠压状况。如果输入电源上升到用户可调过压阈值以上，则外部MOSFET的栅极快速关断，从而断开负载与输入的连接。同样，如果输入电源低于用户可调欠压阈值，则外部MOSFET的栅极快速关断。

过压(OV)/欠压(UV)电阻值由表1所示的以下参数确定。

相关的数据表公式如式5至式7所示。

产生的分压器值如表2所示。

工业、汽车和电池供电应用常常会使电路受到各种瞬态状况的影响，包括电源切断和冷起动。在汽车应用中，若在通过交流发电机充电的同时断开电池，就会发生电源切断，导致电源电压迅速提高。冷起动发生在起动发动机（或其他高负载状况）时，电池中会产生电压降（低温下更严重）。 LT3433电流模式开关稳压器可以处理这些情况，因为它使用单个电感，能提供升压和降压调节。该电路工作在4 V至60 V输入电压范围内，适用于各种宽输入电压范围应用。

图7显示了一个高压升压/降压DC-DC转换器开关稳压器电路，其为放大器和数字转换器提供稳定的5 V电压输出电源。

系统功耗

系统消耗的静态电流的估计值约为13 mA，或大约180 mW，如表3所示，这与系统消耗电流的仿真值相当；仿真情况下电压输入电源（范围为6 V至24 V）设置为12 V。

数字PID控制

PID控制回路可以精确控制电磁阀电流，补偿电源电压和线圈电阻的变化。对于双态电磁阀，这种工作模式可提供最佳驱动电流，使功耗较低。还有一个附加功能，它允许在短时间内施加一个较高的初始吸合电流，之后电流回落到较低的保持电流。

对于PID控制器的数字实现，PID控制器的标准形式必须离散化。离散化PID控制器用式8表示，其中Kp、Ki和Kd应首先用正确的值进行调谐。

有关软件例程的完整信息和细节，请参阅 CN-0415 软件 wiki。