CN101737551B - 一种高速电磁阀驱动电路 - Google Patents

Abstract

一种高速电磁阀驱动电路，输入信号缓冲单元主要对来自外部中控单元的输入信号进行缓冲整形及提高抗干扰的能力；其高边电流检测单元通过检测负载支路中的一只电阻的差分电压而实现电流检测；其PWM信号发生器主要产生一固定频率的PWM波，从而通过调整此波形的占空比来控制保持电流的大小；功率驱动单元主要实现对功率NMOS管提供足够的功率驱动从而使其能够充分工作在开关状态而减小开关损耗及发热；信号延时单元为其电流检测信号输出的一个延时，在此延迟时间内功率NMOS管关断，以使线圈能够续流；逻辑门电路单元为一与门，通过对电流检测信号及其的延时信号进行相与后产生PWM信号发生器所需的同步信号。

Description

一种高速电磁阀驱动电路

技术领域

本发明涉及一种电磁阀驱动电路，尤其适用于电控柴油机燃油喷射系统中的电磁阀驱动，属于电磁阀驱动相关技术领域。

背景技术

常规数字阀以提高响应频率来实现微量控制。尽管减小阀芯质量和液动力可以提高响应频率，但是开关阀响应频率的提高主要依靠增加驱动器作用力及缩小响应时间。高速开关阀的驱动器主要是强力电磁铁，一般响应时间为毫秒级；高电磁力需要较多的安匝数，导致电磁阀发热，而且结构复杂。为了给强力电磁铁提供快速的激励电流，其驱动电路将与常规电磁铁驱动电路有着一定的区别。

专利号为CN1651742A的专利公布了一种集成式双电压电磁阀驱动电路，包括高端驱动电路、低端驱动电路和DC/DC扩展电路；其中，高端驱动电路与低端驱动电路组成了双电压式驱动电路；通过双电压驱动电路外接二极管与电容构成集成式DC/DC电路、即电磁线圈接在高低管之间，低端管进行选通，高端管进行双电压切换。由于线圈属于感性负载，并且在高速电磁阀中都需要很大的开启强击电流，即高端驱动电路存在一个抗瞬时脉冲干扰的问题。其双电压采用DC/DC扩展无疑增加了电路的复杂性，高低电源都分别通过一只高端MOS管进行切换，由于MOS管接在高端，其驱动电路一般都采用自举升压的方式，在电路切换时由于线圈续流形成很高的冲击电压，该冲击容易造成自举升压电路不能正常自举，从而烧毁MOS管。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种结构简单、可靠、成本低，灵活利用的高速电磁阀的驱动电路。

本发明的技术解决方案是：一种高速电磁阀驱动电路，包括高边电流检测单元、PWM波发生器、输入信号缓冲单元、功率驱动电路、信号延时单元、负载主支路；所述的负载主支路包括一只隔离二极管D3、一只检测电阻Rsense、线圈Ln、一只功率NMOS管；隔离二极管D3、检测电阻Rsense、线圈Ln依次串联至功率NMOS管的漏极，隔离二极管D3的阳极接电源VCC，双向TVS二极管并联于线圈Ln的两端，高边电流检测单元接入检测电阻Rsense的两端，功率NMOS管的源极接地，功率NMOS管的栅极接功率MOS驱动电路的输出端；线圈控制信号输入A经输入信号缓冲单元缓冲整形后输出两路信号，一路作为电流检测同步信号输入给高边电流检测单元，由高边电流检测单元输出电流检测信号B；信号延时单元将电流检测信号B与参考电压进行比较输出延时信号C，延时信号C与电流检测信号B相与后作为PWM波发生器的同步信号，控制PWM波发生器产生保持电流控制信号IN2，IN2接入开关二极管D2的阳极，开关二极管D2的阴极作为功率驱动电路的输入；三极管Q3的基极接电流检测信号B，三极管Q3的发射极接地，三极管Q3的集电极与输入信号缓冲单元输出的另一路信号连接，三极管Q3将输入信号缓冲单元输出的信号强制拉低，生成强激电流控制信号IN1，IN1接入开关二极管D1的阳极，开关二极管D1的阴极作为功率驱动电路的输入。

所述的信号延时单元的延时时间为线圈Ln的续流时间。

所述的信号延时单元的延时时间通过可变电阻RP3调节，可变电阻RP3接入信号延时单元的正向输入端与地之间。

所述的PWM波发生器产生的保持电流控制信号IN2的脉冲宽度通过调节可变电阻RP2改变，可变电阻PWM波发生器与地之间。

所述的强激电流控制信号IN1的强激电流时间由开启电流大小而定，开启电流通过可变电阻RP1调节，可变电阻RP1接入高边电流检测单元与地之间。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)根据快速电磁阀的特性，其电磁铁都采用强力电磁铁，要求瞬间产生足够的电磁力，所以必须要很大的强激开启电流，当阀一旦开启后，由于磁路间隙很小，故此时只需很小的电流就可以产生很大的电磁力，故快速电磁阀需要一个瞬间大电流及之后的一个小的保持电流，传统电路都采用双电压供电，即强激电流通过一升压后的高电压进行能量供给，而保持则通过低压电源供电；由于采用升压，无疑增加了电路的复杂性，同时也降低了可靠性，而本发明采用单电源供电，通过一组不同时序的开关波形控制其功率NMOS管的开关时间而实现双电磁线圈所需的电流。故本电路能够完成使用双电压电路的功能，从而简化了电路结构，更加容易实现，效率跟可靠性都显著提高。

(2)传统双电压式电路采用高低端连接方式驱动线圈，切换电压通过两只高端MOS管，低端MOS管实现选通；而要驱动高端MOS主要采用自举升压的方式，通过自举升压的方式产生比系统电压高10V左右的电压去驱动高端MOS管，由于线圈属于感性负载，特别是其放置于阀体中，与阀体构成一个闭合磁场，其电感也随磁场呈一个线性的变化，而自举方式是通过悬浮电压产生，而由于强感性负载的存在，在阀的开启与关闭时刻其线圈两端要产生一个很高的感生电压，此电压对悬浮地影响是非常大，如超过升压电路的抑制能力，就会造成升压不成功，从而造成高端MOS不能充分开启而造成过热损耗而烧毁MOS管，而本发明采用低端功率开关控制，其功率NMOS管直接与地相连，只需一个10V左右的电压就能够可靠的开启NMOS管，从而驱动电路更加简单，更容易实现，更加可靠。

(3)为了能够精确的控制电磁阀的开启强激电流本发明采用高端电流检测与功率驱动级构成闭环，从而能够很好的控制功率NMOS管的开关时间而实现线圈所需的开启电流，传统的电磁阀驱动电路都采用低端电流检测，而低端检测有着诸如以下的缺点：低端检测是通过检测采样电阻上相对与地的共模电压，而在感性负载电路中，其感性负载所带来的地线干扰是非常大的，其干扰直接影响电流检测的精度。而本发明采用高端电流检测通，过线圈上端一只精密电阻上的差分电压而有效的解决地线干扰对检测精度的影响。

(4)根据快速电磁阀的特性，为了能够满足快速开启与关闭，就必须能够使阀能快速开启后，在关闭时也能快速释放其电磁力，而要释放其电磁力就必须能够在阀关闭时快速释放掉线圈在开启过程中所储存的能量(因为线圈为感性负载)，故必须能够在阀关闭时能够快速对线圈进行续流。传统的续流方式有快速二极管续流及RD(电阻和快速二极管)续流方式，这两种方式都是通过二极管与线圈本身构成回路来释放电流，故其释放电流的时间与线圈本身参数有关，其释放时间较长，本发明采用大功率TVS二极管进行续流，根据TVS二极管的瞬变抑制特性以及ns级的响应速度，比传统的方式都快，故应用在该电路中能够快速释放线圈电流，从而提高阀的快速响应。

(5)本发明通过D1、D2输入双路开关信号控制NMOS功率管的开启顺序及时间，就可以完成先给电磁线圈一个大的开启电流，一个较低的保持电流。即每个电磁线圈只需要一只隔离二极管，一个NMOS管，一只精密检测电阻，一片高端电流检测芯片。本发明只需要一个主电源，通过改变功率NMOS管的开启时间来完成电磁线圈高低电流的供给，不再需要DC/DC升压电路，从而简化了电路结构，提高了系统的稳定性，节约成本，方便可调、便于应用到不同的工况，电磁污染低的特性。

附图说明

图1为本发明的电路图；

图2为发明的工作时序图。

具体实施方式

本电路主要为一种高速电磁阀驱动电路(该驱动电路可以作为申请号为200910090745.0“电磁铁及使用该电磁铁的开关阀”中阀的配套驱动电路)，根据工作原理电磁阀阀芯可以采用弹簧复位也可以采用双线圈进行推拉阀芯工作。由于该阀为高速电磁阀，其开启与关闭时间分别达到1ms，故其电流响应特性决定其驱动电路应满足下列基本要求。1、电磁阀开启前的能量强激功率应以尽可能高的速率为电磁阀注入能量，确保电磁控制阀在开启过程中产生足够大的电磁作用力，缩短开启响应时间；2.电磁阀开启后，因工作气隙较小，磁路磁阻很低，电磁线圈通入较小的保持电流便能产生足够大的电磁作用力以保证电磁控制阀的可靠开启。可见，电磁阀驱动电路的设计要求在电磁阀开启时刻需要一个较大的强激电流(本应用电路中规定强激电流为20A)，然后就是一个较小的保持电流(本应用电路中规定保持电流为1A)。

下面结合附图1详细介绍本发明。具体如下：

一种高速电磁阀驱动电路，包括高边电流检测单元、PWM波发生器、输入信号缓冲单元、功率驱动电路、信号延时单元、负载主支路；

所述的负载主支路包括一只隔离二极管D3、一只检测电阻Rsense、线圈Ln、一只功率NMOS管；隔离二极管D3、检测电阻Rsense、线圈Ln依次串联至功率NMOS管的漏极，隔离二极管D3的阳极接电源VCC，双向TVS二极管并联于电磁铁线圈Ln的两端，高边电流检测单元接入检测电阻Rsense的两端，通过检测Rsense的差分电压而实现电流检测，其电流检测方式采用高端电流检测，即由输入的线圈控制信号A进行高电平触发检测，低电平复位；功率NMOS管的源极接地，功率NMOS管的栅极接功率MOS驱动电路的输出端；功率NMOS管的栅极信号中有一个强激开启信号和保持电流控制信号；

线圈控制信号输入A经输入信号缓冲单元(采用CMOS缓冲门实现)缓冲整形提高其抗干扰能力后输出两路信号，一路作为电流检测同步信号输入给高边电流检测单元，高边电流检测单元输出的电流检测信号B分别接信号延时单元的反向输入端和三极管Q3的基极，三极管Q3的发射极接地，三极管Q3的集电极与输入信号缓冲单元输出的另一路信号连接，三极管Q3将输入信号缓冲单元输出的信号强制拉低，生成强激电流控制信号IN1，IN1接入开关二极管D1的阳极，开关二极管D1的阴极作为功率驱动电路的输入；

信号延时单元为电流检测信号B的一个延时，在此延迟时间内功率NMOS管关断，以使线圈能够续流，即延时时间为线圈Ln的续流时间；信号延时单元的正向输入端接参考电压，信号延时单元将电流检测信号B延时输出信号C，电流检测信号B与信号C相与后作为PWM波发生器的同步信号，控制PWM波发生器产生一固定频率的PWM波，从而通过调整此波形的占空比来控制保持电流的大小，即产生保持电流控制信号IN2，IN2接入开关二极管D2的阳极，开关二极管D2的阴极作为功率MOS驱动电路的输入。功率驱动单元主要实现对功率NMOS管提供足够的功率驱动从而使其能够充分工作在开关状态而减小开关损耗及发热。

上述介绍中的PWM波发生器、高边电流检测单元、功率驱动电路为公知电路，PWM波发生器采用555时基电路产生一个占空比可调的脉冲振荡电路。高边电流检测单元采用美信的max4373芯片，功率驱动电路采用IR2181芯片等实现。上述检测电阻一般要求采用精密检测电阻，当然该检测电阻的温漂、等效电感、精度等指标越小越好，本例中检测电阻的温漂100PPM、等效电感10nH、精度1％。双向TVS二极管采用大功率TVS二极管，至少1500W。

如附图2所示为功率NMOS管的开关时序图，下面将时序图联合图1进行具体描述：

A为外部提供的输入控制信号即为图1中的线圈控制信号输入，经缓冲后送入高边电流检测单元作为其同步信号以及强激电流控制信号的预触发信号；如果阀芯采用双线圈进行推拉工作时，需要将此控制信号送入另一路输入信号缓冲单元进行反相缓冲后去控制另一路线圈，此电路配套的电磁阀采用双线圈方式工作，由于每路线圈的电路结构都一样，只是工作信号彼此反相而已，故此处只是描述了一路线圈的工作情况；

B为阀芯开启后的剩余保持时间即为电流检测信号输出，其同时输入图1中Q3的基极，从而使三极管导通，将输入信号强制拉低而关断功率NMOS管，从而控制线圈的强激电流开启时间，其波形为IN1，即作为强激电流控制信号，输入到图1中的开关二极管D1；

C为B被延迟后的波形，即将B输入信号延时单元中的反相输入端，经过延时输出后为C的波形，其延迟时间可以通过调节可变电阻RP3实现。将B和C分别输入逻辑门电路单元中经过相与后的波形为PWM波发生器的同步时间，在此同步时间内才产生PWM波；此处的延迟时间作为线圈的续流时间，其延迟时间的长短根据线圈的参数及开启电流的大小而定，即t2到t3这段时间为线圈的续流时间。IN1为阀芯的开启信号也是功率NMOS管的控制波形，其中在t1到t2这段时间为线圈的强激电流，其时间由开启电流大小而定，调节高边电流检测单元中的RP1能够调节所需的开启电流大小，当线圈结构决定后，此时间就为一固定值；t2至t4这段时间为阀开启后的剩余时间。在t2时刻线圈电流达到开启电流值(此处电路为20A)，t2到t3这段时间为其线圈的续流时间，此段时间功率NMOS管关闭。当从大电流切换到小电流时，由于电流的变化线圈需要释放掉其自感能量，由于本电路配套阀为双线圈结构，故需要快速续流，否则其线圈的强剩磁将影响另一只线圈的开启，根据TVS二极管的瞬时强功率吸收特性，此处通过一只大功率TVS二极管进行快速续流。通过t2至t3这段时间将线圈储能通过TVS二极管进行释放。IN2为PWM信号发生器单元产生，即在t3至t4这段时间为保持电流控制信号，当阀芯开启后，此时的磁路间隙非常小，所以只需很小电流就可以产生很大的力，这样便能够很好的吸合阀芯，从而有效防止机械震动使阀芯复位，故在此段时间内通过PWM信号发生器单元产生一PWM波，此PWM波输入开关二极管D2去控制功率NMOS管的开启时间，即可达到线圈所需的保持电流(此处的保持电流为1A)。此保持电流可方便通过调节可变电阻RP2改变，比如需要提高保持电流，只需调宽其脉冲宽度；至此一个工作循环结束。

本发明与传统的电磁阀驱动电路相比具有以下的优点和效果：所需功率元件少，一个电磁阀最多需要两只功率开关，电路结构简单，因为其驱动方式采用低端驱动，从而功率NMOS管驱动电路更加简单可靠，传统的采用升压电路都要使用高端驱动，而高端驱动一般需要浮动电源，其电路结构复杂；本电路只需要一个主电源，不需要升压电路，即可实现双电压所能实现的功能。总体电路实现简单，调试方便，可靠性高能够适合于不同参数的高速电磁阀的驱动，成本低。

上述只描述一路的连接的方式，当为多路电磁阀时，其连接方式相同，各支路之间呈并联方式。当然本发明通过一定的参数调整(即调节可变电阻RP1、RP2、RP3等)也能通用于一般电磁阀的驱动电路。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (5)

1.一种高速电磁阀驱动电路，其特征在于：包括高边电流检测单元、PWM波发生器、输入信号缓冲单元、功率驱动电路、信号延时单元、负载主支路；所述的负载主支路包括一只隔离二极管D3、一只检测电阻Rsense、线圈Ln、一只功率NMOS管；隔离二极管D3、检测电阻Rsense、线圈Ln依次串联至功率NMOS管的漏极，隔离二极管D3的阳极接电源VCC，双向TVS二极管并联于线圈Ln的两端，高边电流检测单元接入检测电阻Rsense的两端，功率NMOS管的源极接地，功率NMOS管的栅极接功率MOS驱动电路的输出端；线圈控制信号输入A经输入信号缓冲单元缓冲整形后输出两路信号，一路作为电流检测同步信号输入给高边电流检测单元，由高边电流检测单元输出电流检测信号B；信号延时单元将电流检测信号B与参考电压进行比较输出延时信号C，延时信号C与电流检测信号B相与后作为PWM波发生器的同步信号，控制PWM波发生器产生保持电流控制信号IN2，IN2接入开关二极管D2的阳极，开关二极管D2的阴极作为功率驱动电路的输入；三极管Q3的基极接电流检测信号B，三极管Q3的发射极接地，三极管Q3的集电极与输入信号缓冲单元输出的另一路信号连接，三极管Q3将输入信号缓冲单元输出的信号强制拉低，生成强激电流控制信号IN1，IN1接入开关二极管D1的阳极，开关二极管D1的阴极作为功率驱动电路的输入。

2.根据权利要求1所述的一种高速电磁阀驱动电路，其特征在于：所述的信号延时单元的延时时间为线圈Ln的续流时间。

3.根据权利要求1或2所述的一种高速电磁阀驱动电路，其特征在于：所述的信号延时单元的延时时间通过可变电阻RP3调节，可变电阻RP3接入信号延时单元的正向输入端与地之间。

4.根据权利要求1所述的一种高速电磁阀驱动电路，其特征在于：所述的PWM波发生器产生的保持电流控制信号IN2的脉冲宽度通过调节可变电阻RP2改变，可变电阻RP2位于PWM波发生器与地之间。 

5.根据权利要求1所述的一种高速电磁阀驱动电路，其特征在于：所述的强激电流控制信号IN1的强激电流时间由开启电流大小而定，开启电流通过可变电阻RP1调节，可变电阻RP1接入高边电流检测单元与地之间。

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