深度解析 DRV110：适用于电磁阀、继电器和阀门的电流控制器

作为电子工程师，当我们在设计涉及电磁阀、继电器和阀门的系统时，一款合适的电流控制器至关重要。今天，我们就来深入探讨德州仪器（TI）推出的 DRV110，一款专为这些应用场景打造的 PWM 电流控制器。

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一、产品概述

DRV110 是一款用于电磁阀的 PWM 电流控制器，其主要设计目的是通过精确控制电流波形来降低功耗。它能够快速将电磁阀电流提升至峰值，确保阀门或继电器可靠开启。在初始提升阶段后，电流会保持在峰值一段时间，以保证正常运行，随后降低至较低的保持水平，从而避免热问题并减少功耗。

1. 供电灵活性

• 交流供电：可通过整流器和 (R_{S}) 电阻连接 120V 和 230V 交流电源。
• 直流供电：能通过 (R_{S}) 电阻接入 24V、48V 及更高的直流电源。

2. 控制方式

• PWM 驱动：通过 PWM 信号驱动外部 MOSFET，从而控制电磁阀电流。
• 外部感测电阻：使用外部感测电阻来调节电磁阀电流。

3. 参数设置

• 峰值电流持续时间：可通过外部电容进行设置。
• 峰值和保持电流水平以及 PWM 频率：能分别通过外部电阻独立设置。若默认参数适用于应用场景，也可省略外部设置电阻。

4. 保护功能

• 热关断：当芯片温度过高时，自动关闭以保护器件。
• 欠压锁定（UVLO）：当输入电压低于设定阈值时，停止工作，防止异常运行。

5. 可选状态输出

14 引脚封装的产品提供可选的状态输出引脚（STATUS），方便监测设备的工作状态。

二、产品规格

1. 绝对最大额定值

• 输入电压（(V_{IN})）：-0.3V 至 20V
• 其他引脚电压：-0.3V 至 7V（EN、STATUS、PEAK、HOLD、OSC、SENSE、KEEP）；-0.3V 至 20V（OUT）
• 工作结温（(T_{J})）：-40°C 至 150°C
• 存储温度（(T_{stg})）：-65°C 至 150°C

2. ESD 评级

• 人体模型（HBM）：±2000V
• 带电设备模型（CDM）：±500V

3. 推荐工作条件

• 供电电流（(I_{Q})）：1.5mA 至 3mA
• (V_{IN}) 引脚电压：6V 及以上，具体取决于内部齐纳二极管的钳位电压
• 输入电容（(C_{IN})）：1µF 至 4.7µF
• 工作环境温度（(T_{A})）：-40°C 至 125°C

4. 电气特性

在 (V_{IN} = 14V)，-40°C 至 125°C 的工作自由空气温度范围内，该芯片具有多种电气特性，如待机电流、静态电流、内部稳压电源、栅极驱动电压、PWM 时钟频率等。

三、功能详细描述

1. 整体工作流程

DRV110 的工作过程可分为三个阶段：

• OFF 状态：当 EN 引脚为低电平时，PWM 输出关闭，设备处于待机状态。
• PEAK 状态：EN 引脚置高后，设备进入峰值阶段，PWM 信号将电磁阀电流迅速提升至由 (R{PEAK}) 电阻设定的峰值电流 (I{PEAK})，并保持一段时间 (t_{KEEP})。
• HOLD 状态：当 (t{KEEP}) 时间达到后，设备进入保持阶段，PWM 信号继续工作，但将电流降低至保持电流 (I{HOLD}) 水平，直到 EN 引脚再次置低，PWM 输出关闭。

2. 关键参数设置

（1）保持时间（(t_{KEEP})）

通过在 KEEP 引脚连接外部电容 (C{KEEP}) 来设置保持时间，其计算公式为 (t{KEEP}[s]=C_{KEEP}[F] cdot 10^{5}[frac{s}{F}])。

（2）PWM 电流控制

电流控制环路通过感测 SENSE 引脚的电压，并通过 OUT 引脚控制外部开关器件的栅极，以逐周期调节电磁阀电流。当 SENSE 引脚电压低于参考电压 (V{REF}) 时，OUT 引脚电压为高，允许电流通过外部开关；当 SENSE 引脚电压高于 (V{REF}) 时，OUT 引脚电压立即变为低电平，直到下一个 ON 周期被内部 PWM 时钟信号触发。

（3）峰值和保持电流配置

(I{PEAK}) 和 (I{HOLD}) 取决于固定电阻值 (R{PEAK}) 和 (R{HOLD})。当 PEAK 引脚或 HOLD 引脚连接到地，或者 (R{PEAK}) 或 (R{HOLD}) 小于 43.33 kΩ（典型值）时，(I{PEAK}) 和 (I{HOLD}) 为默认值。也可以通过在 PEAK 引脚和地之间连接外部电阻来设置 (I_{PEAK}) 水平。

（4）PWM 频率配置

内部 PWM 时钟信号的频率 (f{PWM}) 可以通过连接在 OSC 和地之间的外部电阻 (R{OSC}) 进行调整，计算公式为 (f{PWM}=frac{60 kHz}{R{OSC}} × 66.67 kΩ)（(160 kΩ < R_{OSC} < 2 MΩ)）。

3. 电源供应与集成齐纳二极管

DRV110 能够通过内部旁路稳压器从较高的外部电源电压 (V{S}) 调节 (V{IN}) 电压，这需要在 (V{S}) 和 (V{IN}) 引脚之间使用外部电阻来限制供电电流。同时，连接到 (V{IN}) 引脚的外部电容用于存储足够的能量，以充电 OUT 引脚的外部开关栅极电容。可根据公式计算电流限制电阻的大小范围，以确保 (V{IN}) 电流在推荐工作条件内。

四、应用与实现

1. 应用场景

DRV110 广泛应用于机电驱动器领域，如电磁阀、阀门、继电器、接触器、开关设备和气动设备等，同时也适用于白色家电、太阳能、交通运输、智能电网和配电等行业。

2. 典型应用电路

（1）交流电源供电

适用于 120V 和 230V 交流电源，通过整流器和电阻为 DRV110 供电。

（2）直流电源供电

适用于 16V 至 48V 直流电源，也需要通过电阻进行电流限制。

3. 设计要点

（1）设计要求

在设计时，需要明确系统输入电压、电磁阀或继电器所需的峰值电流、保持电流和峰值保持时间等关键参数，以便确定 (R{S})、(R{PEAK})、(R{HOLD})（对于 14 引脚封装）、(C{KEEP}) 和 (R_{SENSE}) 的近似值，并选择合适的 FET 和二极管。

（2）详细设计步骤

• 限流电阻选择：需要考虑温度范围、输入电压和使能状态。当输入电压大于齐纳钳位电压时，需要使用限流电阻；当电源电压小于齐纳钳位电压时，为防止操作过程中可能出现的输入电压瞬变，建议使用小电阻。
• 无源元件选择：根据选定的峰值电流、保持电流和峰值保持时间，确定 (R{PEAK})、(R{HOLD})、(C{KEEP}) 和 (R{SENSE}) 的值。同时，建议在原型设计中使用 0Ω 电阻，以便于后续更改。

五、电源供应与布局建议

1. 电源供应

输入电源范围至少为 6V，当电压高于 (V{ZENER}) 时需要使用限流电阻。同时，需要一个典型值为 4.7µF 的输入电容，并且除了最大 3mA 的 (I{0}) 电流外，还需要额外的电流来驱动电磁阀或继电器。

2. 布局指南

• SENSE 引脚布线：应避免接近噪声源，以确保电流感测的准确性。
• 输出节点和感测节点布线：应尽量缩短，减少线路阻抗和干扰。
• 电磁阀或继电器电流走线：应尽可能宽，以防止意外的电压降。

六、总结

DRV110 作为一款功能强大的 PWM 电流控制器，为电磁阀、继电器和阀门等应用提供了可靠的解决方案。其具有灵活的供电方式、可调节的参数设置、完善的保护功能以及详细的设计指南，能够帮助电子工程师更轻松地完成相关设计。在实际应用中，我们需要根据具体需求合理选择参数和元件，并注意电源供应和布局设计，以确保系统的稳定性和可靠性。大家在使用 DRV110 过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。