深度解析 DRV110：適用于電磁閥、繼電器和閥門的電流控制器

作為電子工程師，當(dāng)我們?cè)谠O(shè)計(jì)涉及電磁閥、繼電器和閥門的系統(tǒng)時(shí)，一款合適的電流控制器至關(guān)重要。今天，我們就來(lái)深入探討德州儀器（TI）推出的 DRV110，一款專為這些應(yīng)用場(chǎng)景打造的 PWM 電流控制器。

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一、產(chǎn)品概述

DRV110 是一款用于電磁閥的 PWM 電流控制器，其主要設(shè)計(jì)目的是通過精確控制電流波形來(lái)降低功耗。它能夠快速將電磁閥電流提升至峰值，確保閥門或繼電器可靠開啟。在初始提升階段后，電流會(huì)保持在峰值一段時(shí)間，以保證正常運(yùn)行，隨后降低至較低的保持水平，從而避免熱問題并減少功耗。

1. 供電靈活性

• 交流供電：可通過整流器和 (R_{S}) 電阻連接 120V 和 230V 交流電源。
• 直流供電：能通過 (R_{S}) 電阻接入 24V、48V 及更高的直流電源。

2. 控制方式

• PWM 驅(qū)動(dòng)：通過 PWM 信號(hào)驅(qū)動(dòng)外部 MOSFET，從而控制電磁閥電流。
• 外部感測(cè)電阻：使用外部感測(cè)電阻來(lái)調(diào)節(jié)電磁閥電流。

3. 參數(shù)設(shè)置

• 峰值電流持續(xù)時(shí)間：可通過外部電容進(jìn)行設(shè)置。
• 峰值和保持電流水平以及 PWM 頻率：能分別通過外部電阻獨(dú)立設(shè)置。若默認(rèn)參數(shù)適用于應(yīng)用場(chǎng)景，也可省略外部設(shè)置電阻。

4. 保護(hù)功能

• 熱關(guān)斷：當(dāng)芯片溫度過高時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉以保護(hù)器件。
• 欠壓鎖定（UVLO）：當(dāng)輸入電壓低于設(shè)定閾值時(shí)，停止工作，防止異常運(yùn)行。

5. 可選狀態(tài)輸出

14 引腳封裝的產(chǎn)品提供可選的狀態(tài)輸出引腳（STATUS），方便監(jiān)測(cè)設(shè)備的工作狀態(tài)。

二、產(chǎn)品規(guī)格

1. 絕對(duì)最大額定值

• 輸入電壓（(V_{IN})）：-0.3V 至 20V
• 其他引腳電壓：-0.3V 至 7V（EN、STATUS、PEAK、HOLD、OSC、SENSE、KEEP）；-0.3V 至 20V（OUT）
• 工作結(jié)溫（(T_{J})）：-40°C 至 150°C
• 存儲(chǔ)溫度（(T_{stg})）：-65°C 至 150°C

2. ESD 評(píng)級(jí)

• 人體模型（HBM）：±2000V
• 帶電設(shè)備模型（CDM）：±500V

3. 推薦工作條件

• 供電電流（(I_{Q})）：1.5mA 至 3mA
• (V_{IN}) 引腳電壓：6V 及以上，具體取決于內(nèi)部齊納二極管的鉗位電壓
• 輸入電容（(C_{IN})）：1μF 至 4.7μF
• 工作環(huán)境溫度（(T_{A})）：-40°C 至 125°C

4. 電氣特性

在 (V_{IN} = 14V)，-40°C 至 125°C 的工作自由空氣溫度范圍內(nèi)，該芯片具有多種電氣特性，如待機(jī)電流、靜態(tài)電流、內(nèi)部穩(wěn)壓電源、柵極驅(qū)動(dòng)電壓、PWM 時(shí)鐘頻率等。

三、功能詳細(xì)描述

1. 整體工作流程

DRV110 的工作過程可分為三個(gè)階段：

• OFF 狀態(tài)：當(dāng) EN 引腳為低電平時(shí)，PWM 輸出關(guān)閉，設(shè)備處于待機(jī)狀態(tài)。
• PEAK 狀態(tài)：EN 引腳置高后，設(shè)備進(jìn)入峰值階段，PWM 信號(hào)將電磁閥電流迅速提升至由 (R{PEAK}) 電阻設(shè)定的峰值電流 (I{PEAK})，并保持一段時(shí)間 (t_{KEEP})。
• HOLD 狀態(tài)：當(dāng) (t{KEEP}) 時(shí)間達(dá)到后，設(shè)備進(jìn)入保持階段，PWM 信號(hào)繼續(xù)工作，但將電流降低至保持電流 (I{HOLD}) 水平，直到 EN 引腳再次置低，PWM 輸出關(guān)閉。

2. 關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置

（1）保持時(shí)間（(t_{KEEP})）

通過在 KEEP 引腳連接外部電容 (C{KEEP}) 來(lái)設(shè)置保持時(shí)間，其計(jì)算公式為 (t{KEEP}[s]=C_{KEEP}[F] cdot 10^{5}[frac{s}{F}])。

（2）PWM 電流控制

電流控制環(huán)路通過感測(cè) SENSE 引腳的電壓，并通過 OUT 引腳控制外部開關(guān)器件的柵極，以逐周期調(diào)節(jié)電磁閥電流。當(dāng) SENSE 引腳電壓低于參考電壓 (V{REF}) 時(shí)，OUT 引腳電壓為高，允許電流通過外部開關(guān)；當(dāng) SENSE 引腳電壓高于 (V{REF}) 時(shí)，OUT 引腳電壓立即變?yōu)榈碗娖剑钡较乱粋€(gè) ON 周期被內(nèi)部 PWM 時(shí)鐘信號(hào)觸發(fā)。

（3）峰值和保持電流配置

(I{PEAK}) 和 (I{HOLD}) 取決于固定電阻值 (R{PEAK}) 和 (R{HOLD})。當(dāng) PEAK 引腳或 HOLD 引腳連接到地，或者 (R{PEAK}) 或 (R{HOLD}) 小于 43.33 kΩ（典型值）時(shí)，(I{PEAK}) 和 (I{HOLD}) 為默認(rèn)值。也可以通過在 PEAK 引腳和地之間連接外部電阻來(lái)設(shè)置 (I_{PEAK}) 水平。

（4）PWM 頻率配置

內(nèi)部 PWM 時(shí)鐘信號(hào)的頻率 (f{PWM}) 可以通過連接在 OSC 和地之間的外部電阻 (R{OSC}) 進(jìn)行調(diào)整，計(jì)算公式為 (f{PWM}=frac{60 kHz}{R{OSC}} × 66.67 kΩ)（(160 kΩ < R_{OSC} < 2 MΩ)）。

3. 電源供應(yīng)與集成齊納二極管

DRV110 能夠通過內(nèi)部旁路穩(wěn)壓器從較高的外部電源電壓 (V{S}) 調(diào)節(jié) (V{IN}) 電壓，這需要在 (V{S}) 和 (V{IN}) 引腳之間使用外部電阻來(lái)限制供電電流。同時(shí)，連接到 (V{IN}) 引腳的外部電容用于存儲(chǔ)足夠的能量，以充電 OUT 引腳的外部開關(guān)柵極電容?？筛鶕?jù)公式計(jì)算電流限制電阻的大小范圍，以確保 (V{IN}) 電流在推薦工作條件內(nèi)。

四、應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

1. 應(yīng)用場(chǎng)景

DRV110 廣泛應(yīng)用于機(jī)電驅(qū)動(dòng)器領(lǐng)域，如電磁閥、閥門、繼電器、接觸器、開關(guān)設(shè)備和氣動(dòng)設(shè)備等，同時(shí)也適用于白色家電、太陽(yáng)能、交通運(yùn)輸、智能電網(wǎng)和配電等行業(yè)。

2. 典型應(yīng)用電路

（1）交流電源供電

適用于 120V 和 230V 交流電源，通過整流器和電阻為 DRV110 供電。

（2）直流電源供電

適用于 16V 至 48V 直流電源，也需要通過電阻進(jìn)行電流限制。

3. 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）設(shè)計(jì)要求

在設(shè)計(jì)時(shí)，需要明確系統(tǒng)輸入電壓、電磁閥或繼電器所需的峰值電流、保持電流和峰值保持時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)，以便確定 (R{S})、(R{PEAK})、(R{HOLD})（對(duì)于 14 引腳封裝）、(C{KEEP}) 和 (R_{SENSE}) 的近似值，并選擇合適的 FET 和二極管。

（2）詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

• 限流電阻選擇：需要考慮溫度范圍、輸入電壓和使能狀態(tài)。當(dāng)輸入電壓大于齊納鉗位電壓時(shí)，需要使用限流電阻；當(dāng)電源電壓小于齊納鉗位電壓時(shí)，為防止操作過程中可能出現(xiàn)的輸入電壓瞬變，建議使用小電阻。
• 無(wú)源元件選擇：根據(jù)選定的峰值電流、保持電流和峰值保持時(shí)間，確定 (R{PEAK})、(R{HOLD})、(C{KEEP}) 和 (R{SENSE}) 的值。同時(shí)，建議在原型設(shè)計(jì)中使用 0Ω 電阻，以便于后續(xù)更改。

五、電源供應(yīng)與布局建議

1. 電源供應(yīng)

輸入電源范圍至少為 6V，當(dāng)電壓高于 (V{ZENER}) 時(shí)需要使用限流電阻。同時(shí)，需要一個(gè)典型值為 4.7μF 的輸入電容，并且除了最大 3mA 的 (I{0}) 電流外，還需要額外的電流來(lái)驅(qū)動(dòng)電磁閥或繼電器。

2. 布局指南

• SENSE 引腳布線：應(yīng)避免接近噪聲源，以確保電流感測(cè)的準(zhǔn)確性。
• 輸出節(jié)點(diǎn)和感測(cè)節(jié)點(diǎn)布線：應(yīng)盡量縮短，減少線路阻抗和干擾。
• 電磁閥或繼電器電流走線：應(yīng)盡可能寬，以防止意外的電壓降。

六、總結(jié)

DRV110 作為一款功能強(qiáng)大的 PWM 電流控制器，為電磁閥、繼電器和閥門等應(yīng)用提供了可靠的解決方案。其具有靈活的供電方式、可調(diào)節(jié)的參數(shù)設(shè)置、完善的保護(hù)功能以及詳細(xì)的設(shè)計(jì)指南，能夠幫助電子工程師更輕松地完成相關(guān)設(shè)計(jì)。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體需求合理選擇參數(shù)和元件，并注意電源供應(yīng)和布局設(shè)計(jì)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。大家在使用 DRV110 過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。