在开关设备应用中有效驱动螺线管线圈

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。