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，當我們在設計涉及電磁閥、繼電器和閥門的系統時，一款合適的電流控制器至關重要。今天，我們就來深入探討德州儀器（TI）推出的 DRV110，一款專為這些應用場景打造的 PWM 電流控制器。

文件下載：drv110.pdf

一、產品概述

DRV110 是一款用于電磁閥的 PWM 電流控制器，其主要設計目的是通過精確控制電流波形來降低功耗。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，電流會保持在峰值一段時間，以保證正常運行，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 驅動：通過 PWM 信號驅動外部 MOSFET，從而控制電磁閥電流。
• 外部感測電阻：使用外部感測電阻來調節電磁閥電流。

3. 參數設置

• 峰值電流持續時間：可通過外部電容進行設置。
• 峰值和保持電流水平以及 PWM 頻率：能分別通過外部電阻獨立設置。若默認參數適用于應用場景，也可省略外部設置電阻。

4. 保護功能

• 熱關斷：當芯片溫度過高時，自動關閉以保護器件。
• 欠壓鎖定（UVLO）：當輸入電壓低于設定閾值時，停止工作，防止異常運行。

5. 可選狀態輸出

14 引腳封裝的產品提供可選的狀態輸出引腳（STATUS），方便監測設備的工作狀態。

二、產品規格

1. 絕對最大額定值

• 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）
• 工作結溫（(T_{J})）：-40°C 至 150°C
• 存儲溫度（(T_{stg})）：-65°C 至 150°C

2. ESD 評級

• 人體模型（HBM）：±2000V
• 帶電設備模型（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，具體取決于內部齊納二極管的鉗位電壓
• 輸入電容（(C_{IN})）：1μF 至 4.7μF
• 工作環境溫度（(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，該芯片具有多種電氣特性，如待機電流、靜態電流、內部穩壓電源、柵極驅動電壓、PWM 時鐘頻率等。

三、功能詳細描述

1. 整體工作流程

DRV110 的工作過程可分為三個階段：

• OFF 狀態：當 EN 引腳為低電平時，PWM 輸出關閉，設備處于待機狀態。
• PEAK 狀態：EN 引腳置高后，設備進入峰值階段，PWM 信號將電磁閥電流迅速提升至由 (R{PEAK}) 電阻設定的峰值電流 (I{PEAK})，并保持一段時間 (t_{KEEP})。
• HOLD 狀態：當 (t{KEEP}) 時間達到后，設備進入保持階段，PWM 信號繼續工作，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 輸出關閉。

2. 關鍵參數設置

（1）保持時間（(t_{KEEP})）

通過在 KEEP 引腳連接外部電容 (C{KEEP}) 來設置保持時間，其計算公式為 (t{KEEP}[s]=C_{KEEP}[F] cdot 10^{5}[frac{s}{F}])。

（2）PWM 電流控制

電流控制環路通過感測 SENSE 引腳的電壓，并通過 OUT 引腳控制外部開關器件的柵極，以逐周期調節電磁閥電流。當 SENSE 引腳電壓低于參考電壓 (V{REF}) 時，OUT 引腳電壓為高，允許電流通過外部開關；當 SENSE 引腳電壓高于 (V{REF}) 時，OUT 引腳電壓立即變為低電平，直到下一個 ON 周期被內部 PWM 時鐘信號觸發。

（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 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，(I{PEAK}) 和 (I{HOLD}) 為默認值。也可以通過在 PEAK 引腳和地之間連接外部電阻來設置 (I_{PEAK}) 水平。

（4）PWM 頻率配置

內部 PWM 時鐘信號的頻率 (f{PWM}) 可以通過連接在 OSC 和地之間的外部電阻 (R{OSC}) 進行調整，計算公式為 (f{PWM}=frac{60 kHz}{R{OSC}} × 66.67 kΩ)（(160 kΩ < R_{OSC} < 2 MΩ)）。

3. 電源供應與集成齊納二極管

DRV110 能夠通過內部旁路穩壓器從較高的外部電源電壓 (V{S}) 調節 (V{IN}) 電壓，這需要在 (V{S}) 和 (V{IN}) 引腳之間使用外部電阻來限制供電電流。同時，連接到 (V{IN}) 引腳的外部電容用于存儲足夠的能量，以充電 OUT 引腳的外部開關柵極電容。可根據公式計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。

四、應用與實現

1. 應用場景

DRV110 廣泛應用于機電驅動器領域，如電磁閥、閥門、繼電器、接觸器、開關設備和氣動設備等，同時也適用于白色家電、太陽能、交通運輸、智能電網和配電等行業。

2. 典型應用電路

（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，也需要通過電阻進行電流限制。

3. 設計要點

（1）設計要求

在設計時，需要明確系統輸入電壓、電磁閥或繼電器所需的峰值電流、保持電流和峰值保持時間等關鍵參數，以便確定 (R{S})、(R{PEAK})、(R{HOLD})（對于 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）詳細設計步驟

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

五、電源供應與布局建議

1. 電源供應

輸入電源范圍至少為 6V，當電壓高于 (V{ZENER}) 時需要使用限流電阻。同時，需要一個典型值為 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驅動電磁閥或繼電器。

2. 布局指南

• SENSE 引腳布線：應避免接近噪聲源，以確保電流感測的準確性。
• 輸出節點和感測節點布線：應盡量縮短，減少線路阻抗和干擾。
• 電磁閥或繼電器電流走線：應盡可能寬，以防止意外的電壓降。

六、總結

DRV110 作為一款功能強大的 PWM 電流控制器，為電磁閥、繼電器和閥門等應用提供了可靠的解決方案。其具有靈活的供電方式、可調節的參數設置、完善的保護功能以及詳細的設計指南，能夠幫助電子工程師更輕松地完成相關設計。在實際應用中，我們需要根據具體需求合理選擇參數和元件，并注意電源供應和布局設計，以確保系統的穩定性和可靠性。大家在使用 DRV110 過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享交流。