AN152 - MPQ6610でソレノイドを駆動する



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概要

ソレノイドは、機械システムで線形または回転動作を提供するために多くのアプリケーションで使用されます。ソレノイドの駆動は、電流のオンとオフを切り替えるのと同じくらい簡単ですが、多くの場合、ソレノイドを駆動するための専用ICを使用するとより良い性能を得ることができます。

このアプリケーションノートでは、MPSのMPQ6610ハーフブリッジドライバICを使用してソレノイドを駆動し、電流制御を使用して作動を改善し、エネルギーを節約する方法を説明します。

ソレノイドの基本

最も単純な形では、ソレノイドは磁場を生成するワイヤのコイルです。MPSが通常ソレノイドドライバと呼ぶICは、ワイヤのコイルと鉄または時には別の磁性材料で作られた可動コアを使用するICです。コイルに電流を流すと、コアがコイルに対して引っ張られたり押されたりして、機械システムで何かを作動させるために使用される動きが発生します。代表的なソレノイドを写真1に示します。

typical solenoid

 写真1: 代表的なソレノイド

電気機械式リレーの作動コイルもソレノイドです。これらは通常、固定された鉄または鋼のコアを持ち、磁場はリレーの電気接点を閉じる可動部分に作用します。

ソレノイドを作動させると、巻線に電圧が印加されて磁場が発生します。巻線はインダクタンスが大きいため、電流が立ち上がるまでに時間がかかります。ソレノイドのコアにかかる力は、電流に比例します。したがって、コアを動かすための最大の力を生成するには、高電圧を印加して電流をすばやく立ち上げる必要があります。

動作が完了すると、通常、はるかに小さい電流を使用してコアを所定の位置に保持できます。全電圧を印加し続けると、巻線で多くのエネルギーが消費され、ソレノイドが大量の熱を発生します。

これらの問題を解決するために、定電流ドライバを使用してソレノイドを駆動することができます。電流を時間の経過とともに制御して、理想的な作動を提供し、ソレノイドを所定の位置に保持するために消費される電力を制限することができます。

MPQ6610

MPSのMPQ6610は、電流測定および調整機能を備えたハーフHブリッジドライバです。最大60Vの動作と最大3Aの負荷電流をサポートし、小型の8ピンSOICまたはTSOT23パッケージを採用しています。MPQ6610のブロック図を図1に示します。

typical solenoid

図1 MPQ6610のブロック図

MPQ6610は、どちらの方向にも出力電流を調整できます。つまり、ソレノイドの反対側をグランドまたは電源に接続できます。電流は、出力段の電流を内部で測定することによって調整されます。外部シャント抵抗は不要であり、他のソリューションに比べてコストとPCB面積を節約できます。レギュレーション電流は、ISETピンに接続された小さな外部プログラミング抵抗によってプログラムされます。

MPQ6610は、ISETピンの電圧を監視することにより、電流を測定する機能も提供します。電圧はマイクロコントローラのA/Dコンバータで測定できるため、ソレノイドに流れる電流を診断で確認できます。MPQ6610はまた、短絡に対する保護を提供し、nFAULT出力を使用して切断負荷の検出を可能にします。

これらの機能の詳細については、MPQ6610データシートを参照してください。

ソレノイドのホールド電流の制御

最も単純な実装では、ISETピンに接続された単一の抵抗がソレノイドに駆動される定電流をプログラムします。最初に有効にしたとき、出力は、電流がソレノイドのインダクタンスを通過してレギュレーション設定値に達するまでアクティブのままになります。次に、MPQ6610は、出力をパルス幅変調し、high (ハイ) とlow (ロー) を交互に切り替えて、目的のポイントで電流を調整します。多くのアプリケーションでは、これが必要なすべてです。

エネルギー効率を改善するために、ソレノイドを引き込むために最初に大電流を供給し、次にソレノイドを所定の位置に保持するのに十分なレベルまで電流を下げることが望ましい場合が多いです。これにより、エネルギーが節約され、ソレノイドで発生する熱が減少します。

図2に示すように、基本的なMPQ6610アプリケーション回路にいくつかの部品を追加すると、これを実現できます。

図2 MPQ6610の低減されたホールド電流回路

この回路は次のように機能します。

最初は、入力信号はlowです。これにより、D1を介してC1が放電され、ISETピンがQ1を通じてlowに保持されます。

入力信号がhighになると、MP6610が使用可能となり出力がhighになって、ソレノイドに全供給電圧が印加されます。C1はR1を介して充電を開始します。ソレノイドに流れる電流に比例してISETピンから電流が供給され、C1が充電されると、ISETピンの電圧が上昇します。

ソレノイドに十分な電流が流れていると仮定すると、ISETピンの電圧は1.5Vの電流レギュレーションしきい値に達するまで上昇し続けます。この時点で、MPQ6610はソレノイド電流の調整を開始します。

結果の駆動波形を図6に示します。黄色のトレースは、ソレノイドを駆動するOUT信号です。緑のトレースはソレノイド電流です (電流プローブで測定) 。最初に全供給電圧が駆動されてソレノイドが引き込まれ、遅延 (時間は上記の回路のC1とR1によって設定されます) の後、電流はパルス幅変調によって出力をISETピンの抵抗によって設定されたレベルまで削減します。

図3 減衰されたホールド電流の波形

遅延時間は、C1が1.5VからQ1のVBEを引いた値 (約900mV) にR1を介して充電されるのにかかる時間です。この時間は、制御入力の論理高電圧にも依存します。標準の3.3Vロジックレベルの場合、時間は約0.33 x RCです。上記の例では、R1 =100kΩおよびC1 = 2.2μF、0.33 x RC = 75mSです。この時間は、論理電圧が高いほど短くなり、論理電圧が低いほど長くなります。

安定化ホールド電流はR2の値によって設定されます。ISETピンからの電流は負荷電流1Aあたり100μAであり、レギュレーションしきい値は1.5Vであるため、抵抗値はR = 15/Iとして計算できます。ここで、RはkΩ、Iはアンペアで表されます。

ソレノイドの引き込み / ホールド電流の制御

抵抗を1つ追加することにより、最大引き込み開始電流とホールド電流を個別に制御することができます。これにより、より高い電源電圧を使用して、ソレノイドの初期電流ランプを高速化できます。これにより、機械的性能が最適化されます。これを図4に示します。

図4 引き込み / ホールド電流の調整

前と同様に、ホールド電流はR2によって設定されます。R3を追加すると、動作の引き込み段階で電流が制限されます。最初に、C1が放電されると、電流はR2とR3の並列の組み合わせによって設定されます。C1が充電されると、電流はR2によって設定されたホールド電流に達するまでゆっくりと減少します。

MPQ6610 ソレノイドドライブ用評価ボード

MPSには、ユーザーが自分のソレノイドを駆動するこの回路を評価できるように、上記の回路を使用した評価ボードがあります。回路図とPCBレイアウトを図5と図6に示します。

図5 ソレノイド用評価回路図

図6 ソレノイド用評価PCB

ボードを使用するには、電源入力をP1に接続します。5Vから60Vまでの電圧がサポートされています。ソレノイドはコネクタP3に接続されています。「OUT」ピンはVINに駆動され、ソレノイドを作動させます。

内部スライドスイッチを使用してソレノイドを有効または無効にするには、ジャンパであるJP1をそのままにしておきます。小さな3.3VのLDOレギュレータがPCBに存在し、MPQ6610を有効にするロジックレベルを提供します。外部論理信号で回路を制御したい場合は、JP1を外してP2に制御信号を印加します。制御信号は2.5Vから5Vまでの任意の論理レベルにすることができますが、電圧が時間遅延に影響を与えることに注意してください。

2つのポテンショメータを使用して、引き込み / ホールド電流を制御します。RV2と並列のRV1は最大引き込み電流を設定し、RV2はホールド電流を設定します。ホールド電流は常に引き込み電流よりも小さくなります。引き込み電流を完全に上げると、引き込み電流は制限されません。RV2を最低に設定すると、ホールド電流は約300mAに制限されます。

MPQ6610には、3Aから6Aの間でアクティブになる過電流保護回路があることに注意してください。ソレノイドにこの電流を超える電流が流れると、MPQ6610は1mSの間出力を無効にしてから、再度有効にします。

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