高性能ソレノイドドライバ

Pete Millett、シニアテクニカルマーケティングエンジニア、MPS

ソレノイドドライバは、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。

本稿では、駆動回路がソレノイドの電気機械的性能にどのように影響するかを調べます。単純なスイッチと電流調整ドライバの2つの異なる駆動回路を比較します。ソレノイドの消費電力を制限する省エネ技術についても説明します。

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ドライバを図1に示します。

図1: 代表的なソレノイド

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、電流が蓄積す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。コアを動かすために最大の力を生成するには、電流をすばやく構築するために巻線に高電圧を印加する必要があります。

モーションが完了すると、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。電流を減らさないと、巻線にかなりの電力が消費され、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。

テストのセットアップ

さまざまなソレノイドドライバ配列の電気機械的性能を比較するため、ソレノイドの動きを測定できるように、屈曲付きのソレノイドに接続されたサーボポテンショメータを使用して、簡単なテストセットアップを構築しました。モーションは、電圧と電流とともに、オシロスコープを使用してキャプチャされました。MPSのMPQ6610を使用してソレノイドを駆動しました。セットアップを図2に示します。

図2: テストのセットアップ

シンプルなソレノイドドライバ

ソレノイドを駆動する最も簡単な方法は、電流のオンとオフを切り替えることです。これは、多くの場合、ローサイドMOSFETスイッチと電流再循環ダイオードを使用して行われます (図3を参照)。この回路では、電流はソレノイドの供給電圧とDC抵抗によってのみ制限されます。

図3: シンプルなソレノイドドライバ

シンプルなドライバの電気機械的性能には限界があります。全電圧と全電流が100%の時間印加されるため、引き込み電流はソレノイドの連続消費電力定格によって制約されます。コイルのインダクタンスが大きいため、ソレノイドが最初に作動したときに電流が増加する速度も制限されます。

このテストでは、単純なスイッチを使用してソレノイドの動き、電圧、および電流を測定しました (図4を参照)。この場合、ソレノイド (15Ω、定格12V) は、ソレノイドドライバが作動するたびに作動するのに30msかかり、10Wの電力を消費しました。

図4: シンプルなスイッチ波形

電流波形の「谷」について疑問があるとすれば、この電流の減少は、ソレノイドの可動コアによって生成される逆起電力によるものです。逆起電力は、コアが加速するにつれて、ソレノイドが底を打ち、動きを停止するまで増加します。

高性能ソレノイドドライバ

ほとんどのアプリケーションでは、ソレノイドドライバを引き込むために最初だけ全電流が必要になります。動作が完了した後、ソレノイドの電流レベルを下げることができます。これにより、エネルギーが節約され、コイルで発生する熱が大幅に減少します。これにより、より高い供給電圧を使用できるようになり、より高い引き込み電流が提供されて、ソレノイドがより速く作動し、より多くの力が提供されます。

いくつかの外部部品を備えたMPSのMPQ6610ハーフブリッジドライバでこれを実現できます (図5を参照)。MPQ6610の定格は最大60Vおよび3Aで、小型のTSOTおよびSOICパッケージで入手できます。

図5: MPQ6610低減されたホールド電流回路

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信号であり、緑色のトレースはソレノイド電流です。最初に、全供給電圧 (この場合は24V) が駆動されてソレノイドが引き込まれます。遅延後、出力をパルス幅変調することにより電流が減少します。引き込み時間は16msに短縮され、保持電力損失ははるかに低くなります (10Wではなく約600mW)。

図6: ホールド電流波形の低減

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、C1からD1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になり、MPQ6610が有効になり、出力がhighとなり、ソレノイドに全供給電圧が印加されます。C1はR1を介して給電を開始します。電流は、ソレノイドに流れる電流に比例してISETピンから供給されます。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、電流レギュレーションしきい値 (1.5V) 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。安定化ホールド電流はR2の値によって設定されます。

遅延時間 (ソレノイドが100％のデューティサイクルで駆動される場合) は、R1とC1の値によって設定されます。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。

詳細については、https://www.monolithicpower.com/jpのMPQ6610データシートとアプリケーションノートを参照してください。

結論

ここに示す測定値は、ソレノイドを駆動する電流調整ドライバを使用すると、パフォーマンスが向上し、エネルギー消費量が大幅に削減されることを示しています。MPSのMPQ6610などの小型ICドライバは、このパフォーマンス上の利点を低コストで提供し、PCB領域をほとんど必要としません。

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