螺线管是一种线圈，其通过在线圈施加电流，可在机械系统中产生线性或旋转运动。螺线管有多种类型，但通常其主要用于移动物体或保持特定的状态或位置，就像传统的继电器一样。这些机电螺线管由缠绕在钢质或铁质电枢（有时称为“柱塞”）上的铜电感线圈组成。通电线圈的磁场拉动电枢，而电枢则将机械力传递给外部机构。

在每一种应用中，螺线管和继电器以不同的配置受到驱动。一些螺线管应用示例包括，家用电器、打印机、HVAC、灌溉系统、发动机和变速器控制。

本应用报告对几种螺线管类型进行了分类和说明，探讨了驱动器配置，着重介绍了能够简化螺线管驱动器解决方案的 TI 半导体解决方案。

螺线管主要有三种类型：推挽、闭锁/双稳态，以及比例式。

第一种类型是推挽或单稳态类型，用于通过为线圈通电和断电来移动物体，或者在需要“进出”运动的情况下使用。推挽式螺线管由铁架、铁柱塞、铜线圈和复位弹簧组成。图 1-1 显示了拉式螺线管的横截面图。这类螺线管可以在电子门锁、阀门和机器人等应用中找到。

第二类是闭锁/双稳态螺线管。闭锁/双稳态螺线管在使用上与推挽式类似，但闭锁螺线管可以在断电后保持其位置。断电后，闭锁螺线管通过永磁体保持位置，而推挽式螺线管则使用弹簧。使用电流脉冲为线圈通电时，将会改变螺线管的位置。

比例式螺线管一种是产生与流过它的电流成正比的力的螺线管，而不是在两个位置或状态之间变化的螺线管。通过添加弹簧，螺线管可以产生与电流成正比的位移。在液压等应用中，这类螺线管也可以构建一个空气间隙，这样，流体压力不会影响到螺线管的力特性。这样可以实现非常精细的力和位置控制。

当今的大多数系统使用电机驱动器驱动和停止驱动螺线管。驱动螺线管的关键是导通和关断哪些 FET，以及何时导通和关断。

驱动器有三种基本配置，即低侧、高侧和半桥/全桥，每一种都有利弊。选择哪一种配置取决于系统要求，如开关速度和故障保护。高侧驱动器可防止对地短路故障，而低侧驱动器可防范对电池短路故障。

典型的低侧或高侧驱动器配置使用单个 MOSFET，该 MOSFET 具有足够的电流处理能力来驱动螺线管。对于带复位弹簧的推/拉式螺线管来说，高侧和低侧驱动器是不错的选择。图 2-2 显示了使用可选外部钳位的低侧/高侧配置。

当启用 MOSFET 时，它会传导螺线管通电所需的全部电流。当禁用 MOSFET 时，螺线管中的电流必须通过二极管续流，或允许其继续流动或衰减到零，否则 MOSFET 会出现较大的电压尖峰。螺线管上的续流二极管为螺线管电流流动提供了这种低阻抗路径。图 2-3 显示了一个低侧驱动器。

半桥驱动器使用两个 MOSFET 来控制通过螺线管的电流；其中一个 MOSFET 用于正向驱动螺线管，另一个用于电流再循环。

H 桥驱动器使用四个 MOSFET（或通过一个一个负载连接的两个半桥）来控制通过螺线管的电流。使用四个 MOSFET，可以实现双向电流控制。这使得 H 桥驱动器成为单线圈和闭锁或双线圈继电器的良好选择。

在图 2-4 和图 2-5 中可以看到 H 桥和半桥配置。

图 2-4 H 桥驱动和再循环电流路径

图 2-5 半桥驱动和再循环电流路径

虽然半桥只能启用慢速衰减，但半桥集成了续流二极管，这通常是一个外部元件，因此进一步减小了解决方案尺寸。此外，使用半桥还可以灵活驱动高侧或低侧负载。

H 桥驱动器可以通过使用高侧或低侧 MOSFET 再循环电流来同时实现慢速衰减和快速衰减（滑行）。图 2-6 显示了如何使用 H 桥来驱动具有高侧再循环的传统螺线管。

图 2-6 用于驱动螺线管的 H 桥配置

H 桥还可以作为一个有效的快速放电电路使用。可以通过关断 MOSFET 并允许电流经过体二极管来实现快速衰减。这使得螺线管电流的反向电压等于 VM 加上两个体二极管的正向电压。图 2-7 显示了使用 H 桥时的快速衰减电流流动。

图 2-7 H 桥快速衰减

如果需要快速衰减和改进的系统热性能，H 桥配置可能是合适的选择。

因为螺线管属于电感负载，因此当电流经过线圈时，螺线管会在磁场中储存能量。无论是禁用螺线管还是使用 PWM 来保持特定的电流水平，任何用于驱动螺线管的电路都不得突然停止电流流动。这样做会因能量离开螺线管，导致出现较大的电压尖峰。从定义电感器的电压特性的表达式中，可以清晰看出：V = L*di/dt。

如前面几节中所述，当驱动 FET 停用时，续流二极管允许电流再循环。这样可以保持螺线管的端电压等于二极管的正向压降。当禁用螺线管时，电流将再循环，直到存储在电感器中的能量在二极管和螺线管的串联电阻中以热量的形式消散。电流下降速度缓慢，因此在使用 PWM 或电流调节方案实现峰值和保持节能控制时，应在系统中使用续流二极管。

一些电路要求螺线管快速停用，以最大程度地减少阀门或执行器系统中的延迟。钳位电路可以集成到驱动器中或者在外部添加钳位电路，以帮助消耗能量。例如，在续流二极管上串联齐纳二极管，将有助于快速消耗螺线管的能量。在这种情况下，当驱动 FET 被禁用时，螺线管上的压降将会等于齐纳钳位电压加二极管压降。由于该电压远高于单独的续流二极管电压，因此会很快消耗所储存的感应能量。

利用电流控制来驱动螺线管需要两点：电流传感和电流调节。电流控制的优势在于能够提高整个温度范围内的效率和可靠性。当螺线管或继电器线圈因 I²R 损耗而变热或被其环境加热时，线圈电阻会增加。借助电流传感反馈，即使电阻发生变化，也可以监测和调整电流以产生恒定的力。

第二个优势在于，它可以针对高于额定电源电压的情况，提供一些保护措施。螺线管具有额定电压，因为螺线管可能会被流过线圈的过量电流毁坏，在以较高电压驱动时会发生这种情况。该问题可以通过电流传感反馈来解决，无论电源电压高低，均控制流过螺线管的电流。这样一来，便可以在多个产品上重复使用一种螺线管驱动器设计。

有两种方法可以从电机驱动器 IC 向微控制器提供负载电流反馈。一种方法是使用与负载直线连接的外部检测电阻，或者安装在高侧或低侧的检测电阻，从电流分流放大器提供。另一种方法是电流镜，其为引脚输出提供与负载电流成正比的电流，无需外部检测电阻。这种比例电流输出方法适用于具有集成 MOSFET 的电机驱动器 IC。此处通常存在一个限制，对于给定的集成电机驱动器 IC，高侧和低侧检测输出可能并不总是可用。

为了调节电流以及为大多数螺线管通电和断电，需要峰值-保持驱动。下述图 3-1 显示了该预期峰值-保持电流的示例。

充电电流会被吸入或驱动进入螺线管内，称为峰值电流。螺线管中的电流将会爬升至峰值，此时磁场会将柱塞压入弹簧。为了将螺线管保持在该位置，电流仍必须被吸入或驱动进入螺线管中。这称为保持电流。然而，该电流远远低于峰值电流。为了进一步最大程度地减少在保持阶段通过螺线管的功率损耗，可以调节保持电流。

正如脉宽调制 (PWM) 用于驱动其他类型的电机一样，该电流也可用于驱动螺线管。通过改变占空比，PWM 可用于在不同时间将螺线管的电流调节到不同水平。这使用户能够驱动更长或最大的占空比，以便在螺线管内拉入，然后用较短的占空比将其保持原位，从而优化功耗。图 3-2 显示了 PWM 实现的电流和电压驱动输出。

图 3-2 使用 PWM 的螺线管电压和电流输出

由于线圈中的电流较低，这可以降低螺线管解决方案的功耗。如果不降低驱动电流，功率耗散将会使螺线管进一步升温。随着温度的升高，螺线管的初始电阻也将增加，它们都可能会导致意外停止驱动或无法驱动螺线管。请注意，在上面的屏幕截图中，释放或停止驱动时间大约为 10ms。

一些应用要求螺线管具有快速的开启/关闭速率。对反相向 MOSFET 中的负载电流再循环可能不足以快速衰减电流，这可能会导致柱塞延迟释放。

为了实现快速放电电路，驱动器电路必须产生一个与螺线管相反的大电压，可以迅速将再循环电流衰减为零。相反电压越高，电流衰减越快。这些快速放电电路可以使用 H 桥、齐纳二极管或瞬态电压抑制 (TVS) 二极管、压敏电阻（变阻器）制作而成。

当 FET 关闭时，续流和钳位都是消耗螺线管电感中储存的能量的策略。关键差别在于电流衰减速度。钳位通过产生与螺线管电流极性相反的大电压尖峰，使螺线管电流很快衰减，该电压比反向 MOSFET 再循环时更大，如快速衰减。续流通过一个并联二极管使电流再循环，使电流缓慢衰减，从而缓慢衰减螺线管电流。图 3-3 显示了续流和钳位两种实现方案。

钳位涉及到使用齐纳二极管或瞬态电压抑制二极管以快速衰减通过电感负载（如螺线管）的电流。这对于不能容忍停止驱动延迟的控制系统是必需的。钳位电路会产生一个与螺线管驱动电流相反的极大电压，使电流迅速地衰减。图 3-4 显示了与续流相比，使用有源钳位禁用螺线管时的预期波形。

启用螺线管时，V_out 较低，低于 1V，而螺线管处于保持阶段。禁用螺线管时，V_out 快速跃升到 40V 左右（或电源电压的 3-4 倍），并且螺线管电流快速下降到 0A。上图还显示了续流电压和电流波形的大致情况。图中未显示电枢在状态改变时产生的反电动势。图 3-5 显示了一个示波器屏幕截图，其中展示了螺线管在快速关断期间的实际电压和电流波形。

图 3-5 展现快速关断情况的波形

在示波镜拍摄开始时，螺线管处于保持阶段。请注意，V_OUT 波形显示了在 V_SUPPLY 大约为 13V，且螺线管电流稳定，一直到螺线管停用情况下的 PWM 电流调节。螺线管停用后，V_OUT 被钳位在大约 45V，而螺线管电流在 1 毫秒内衰减到零电流衰减到零后，电枢在停止驱动期间产生一个反电动势。从螺线管停用到停止驱动的总用时大约为 3.5 毫秒。回顾上一节内容，续流的停止驱动时间大约为 10 毫秒。

用于电感负载电压钳位的常见无源器件是齐纳二极管或 TVS 二极管。电感负载的端电压可以用Equation1 来说明。在再循环期间，电感器的端电压主要取决于电流的变化，减去因负载电流通过螺线管内阻而引起的压降。

为了进一步简化，螺线管的内阻忽略不计，衰减时间可以通过Equation2 进行估算。

假设再循环期间电感和电流恒定，这表明衰减时间与电感负载的端电压呈反比；电压越大，衰减时间越短。对于续流或慢速衰减，此电压只是二极管的正向电压。同样，对于全桥快速衰减，此电压将是 V_SUPPLY 加两个二极管的正向电压。对于使用齐纳二极管的快速关断或钳位，此电压将是二极管的正向电压加 V_ZENER，其中 V_ZENER 可以远远大于 V_SUPPLY。

图 3-6 显示了使用齐纳二极管进行快速放电时的再循环路径。请注意，螺线管一个节点上的电压为 VM，另一个节点为 V_DIODE + V_ZENER + VM，使得螺线管总端电压等于 V_DIODE + V_ZENER。

图 3-6 齐纳二极管快速放电电路

尽管德州仪器 (TI) 拥有庞大的电机驱动器产品组合，但本节着重强调与本应用报告中提到的主题相关的几种器件及其特性。