TI 技術(shù)手冊

螺線管是一種機(jī)電設(shè)備，由線圈圍繞可移動(dòng)鐵芯材料（也稱電樞或栓塞）制成。電流流經(jīng)線圈時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁場，促使電樞在固定范圍內(nèi)移動(dòng)。圖 1-1 示出了一種機(jī)電螺線管。螺線管通常設(shè)計(jì)用于簡單的開/關(guān)應(yīng)用，例如只需要兩種操作狀態(tài)的繼電器。這些螺線管也可設(shè)計(jì)用于電流與電樞位置成正比的線性操作。線性螺線管用于需要精確調(diào)節(jié)壓力、流體或空氣的多種應(yīng)用中。在汽車應(yīng)用中，線性螺線管用于燃油噴射器、變速器、液壓懸架以及實(shí)現(xiàn)觸覺效果。在需要精確氣流控制的關(guān)鍵醫(yī)療應(yīng)用以及需要重定向和控制流體流動(dòng)的工業(yè)應(yīng)用中，都可以看到線性螺線管。

有多種配置用于連接和驅(qū)動(dòng)螺線管。一種常見的螺線管驅(qū)動(dòng)方法是采用高側(cè)驅(qū)動(dòng)器配置。在該配置中，電流檢測放大器連接高側(cè)開關(guān)與螺線管之間，如圖 1-2 所示。該配置的一項(xiàng)優(yōu)勢是，當(dāng)高側(cè)開關(guān)斷開時(shí)，螺線管與電池電壓是隔離的。取消螺線管與電池電壓的連續(xù)連接，可減緩螺線管老化和早期壽命故障，從而使系統(tǒng)更安全可靠。

圖 1-2 所示的電流檢測放大器必須能夠抑制高共模 dv/dt 信號(hào)，并支持低于接地電壓的共模電壓。在上述配置中，當(dāng)高側(cè)開關(guān)閉合時(shí)，螺線管由電池流出的電流進(jìn)行供電。高側(cè)開關(guān)的占空比決定了流經(jīng)螺線管的電流，螺線管反過來控制栓塞的行程范圍。當(dāng)高側(cè)開關(guān)斷開后，電流流經(jīng)反激二極管，強(qiáng)制共模電壓將一個(gè)二極管的電壓降至接地電壓以下。

螺線管和閥門本質(zhì)上是高度感應(yīng)的。螺線管的有效阻抗可簡化為電阻和電感。線圈采用銅 (4000ppm/°C) 型材繞制而成，有效電阻隨螺線管的類型而異，范圍為 1Ω（用于觸覺應(yīng)用）至 10Ω（用于線性或位置閥系統(tǒng)）。所有螺線管的電感均介于 1mH 至 10mH 之間。圖 1-3 顯示了 25°C 和 125°C 時(shí)開環(huán)模式下的螺線管驅(qū)動(dòng)器的電流曲線示例。在不補(bǔ)償銅電阻的情況下，環(huán)境溫度升高幅度超過 100°C 時(shí)，栓塞行程精度約為 40%。螺線管電流直接控制栓塞的行程距離。如果環(huán)境溫度發(fā)生變化，則栓塞的行程距離隨之改變，這將影響壓力、流體或空氣調(diào)節(jié)等輸出控制。

通過測量螺線管和閥門應(yīng)用中的電流，可以檢測螺線管工作特征的變化。電流測量可以識(shí)別老化螺線管中磁場衰減的影響，從而檢測故障元件以防失效。在開環(huán)螺線管控制系統(tǒng)中，當(dāng)銅繞組溫度上升 100°C 時(shí)，有效阻抗的變化會(huì)漂移 40% 。在電流控制反饋環(huán)路中進(jìn)行電流測量，可通過 INA253 電流檢測放大器將螺線管在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的阻抗變化從 40% 降低至 0.2%，從而使系統(tǒng)更加高效、可靠和安全。

INA253 是一款高側(cè)雙向電流檢測放大器，集成了 2mΩ 低電感分流器，可支持 –4V 至 +80V 的大共模電壓。該集成分流器經(jīng)過工廠校準(zhǔn)，提供的總系統(tǒng)精度小于 0.1% 增益誤差溫漂小于 15ppm/°C 。INA253 專門設(shè)計(jì)用于在需要抑制高 dv/dt 瞬態(tài)的 PWM 應(yīng)用中工作。INA253 設(shè)計(jì)有抑制 dv/dt 信號(hào)的電路。這一特性縮短了消隱時(shí)間，使得在低占空比條件下能夠精確地測量 PWM 電流。該器件的低失調(diào)電壓、漂移、增益和 400kHz 高帶寬有助于精確地測量 PWM 應(yīng)用中的線內(nèi)電流。通過使用 INA253，電流測量中的準(zhǔn)確性和溫度穩(wěn)定性有助于所有需要精準(zhǔn)控制流體、空氣和壓力的閥門應(yīng)用。INA253 的集成精密分流器在整個(gè)溫度范圍內(nèi)可提供的高精度位置控制小于 0.2% ，因此無需在整個(gè)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行電流測量校準(zhǔn)。

備選器件建議

INA241 是一款超精密的模擬電流檢測放大器。INA241 可用于高壓雙向應(yīng)用，配置有 1MHz 帶寬、12μV（最大值）的低失調(diào)電壓、250nV/°C（最大值）的漂移和 0.05% 的增益，從而為螺線管應(yīng)用內(nèi)的線內(nèi)測量提供快速響應(yīng)時(shí)間和精密控制。INA241 可以在 –5V 至 110V 的共模電壓下測量電流，并能承受 –20V 至 120V 之間的電壓。

INA293 是另一款推薦用于此種應(yīng)用的器件。INA293 是一款單向電流檢測放大器，可支持 -4V 至 110V 的共模電壓，并承受 -20V 至 120V 的電壓。由于在連接螺線管時(shí)會(huì)出現(xiàn)電感反沖，故這種承受高負(fù)共模電壓的能力非常重要。INA293 還具有 1MHz 的高帶寬，能夠在過流情況下實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。此外，INA293 是一款高精度電流檢測放大器，具有 15μV 的低失調(diào)電壓和 0.15% 的增益誤差。

INA281 單向電流檢測放大器是另一款推薦的器件。INA28a 支持 -4V 至 110V 的共模電壓，還可以承受 -20V 至 120V 的電壓。INA281 具有 1MHz 的高帶寬，用于對線內(nèi)測量實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。