气体阀驱动电路的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种气体阀驱动电路，包括双Boost模块、电源管理模块、高边驱动及开关管模块、低边驱动及开关管模块、电流信号采集模块、滞回电压比较器和微控制器；电源管理模块与双Boost模块连接；高边驱动及开关管模块与双Boost模块连接，低边驱动及开关管模块与电流信号采集模块连接；电流信号采集模块与滞回电压比较器的反相端连接；微控制器分别与滞回电压比较器的正相端和输出端、电源管理模块、高边驱动及开关管模块、低边驱动及开关管模块连接。本发明的可靠性高、抗干扰能力强，且通用性好。
【专利说明】
气体阀驱动电路
技术领域
[0001] 本发明属于气体机或双燃料机，具体涉及一种气体阀驱动电路。
【背景技术】
[0002] 以天然气为燃料的气体机或双燃料发动机的热效率与柴油机相当，不仅可以降低 燃料成本，还可以有效降低污染物排放，尤其是颗粒排放。与重油等劣质液体燃料相比，气 体燃料更容易雾化蒸发形成可燃混合气，燃烧中颗粒物排放显著减少，NOx排放减少90%， 颗粒物排放几乎全部消除，而且气体燃料中不含硫元素，尾气中几乎不含SOx成分。因此，船 用柴油机燃用气体燃料只需采用机内净化方法，控制燃烧温度，减少NOx排放，即可满足国 际海事组织所规定的2016年第三阶段排放法规（頂0 Tier III)。气体机和双燃料发动机以 其燃料灵活性、经济性和排放性能好等优点将成为满足今后严格排放法规和经济性要求的 重要技术措施之一。气体喷射阀是气体机或双燃料发动机的关键部件，其驱动电路的好坏 将直接影响气体机或双燃料发动机的动力性能、经济性能及排放性能。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提供一种可靠性高、抗干扰能力强，且通用性好的气体阀驱动电 路。
[0004] 本发明所述的气体阀驱动电路，包括双Boost模块、电源管理模块、高边驱动及开 关管模块、低边驱动及开关管模块、电流信号采集模块、滞回电压比较器和微控制器；
[0005] 所述电源管理模块与Boo s t模块连接，电源管理模块控制双Boo s t模块产生的电压 在24V~150V范围内可调，用于控制电流上升时间以及为驱动电流提供电压源；电源管理模 块还用于控制电源上电和掉电时序，以协调各模块工作；
[0006] 所述高边驱动及开关管模块和低边驱动及开关管模块用于控制电流值以及感性 负载的续流，该高边驱动及开关管模块与双Boost模块连接，低边驱动及开关管模块与电流 信号采集模块连接；
[0007] 所述电流信号采集模块将采集的电流信号转换为电压信号并输入到滞回电压比 较器的反相端，该电流信号采集模块与滞回电压比较器的反相端连接；
[0008] 所述微控制器用于输出滞回电压比较器的正相端所需的参考电压，产生高边驱动 及开关管模块与低边驱动及开关管模块所需的驱动信号，并对整个气体阀驱动电路的关键 数据进行监控，该微控制器分别与滞回电压比较器的正相端和输出端、电源管理模块、高边 驱动及开关管模块、低边驱动及开关管模块连接；
[0009] 所述滞回电压比较器将反相端的电压信号与正相端的参考电压进行对比，并产生 微控制器所需的开关信号。
[0010] 进一步，所述高边驱动及开关管模块采用自举悬浮驱动，其包括高边驱动和高边 开关管Q1;
[0011] 所述高边驱动包括芯片U1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1、电容C2、二极 管D1、二极管D2和二极管D3;
[0012] 所述芯片U1的1脚经电容C2与芯片U1的4脚连接，芯片U1的2脚经电阻R4与芯片U1 的4脚连接，芯片U1的5脚经电阻R3与芯片U1的6脚连接，芯片U1的5脚还经电容C1与芯片U1 的8脚连接，二极管D2与电容C1并联;芯片U1的7脚分别与二极管D3的负极连接，且二极管D3 的正极与高边开关管Q1的栅极连接;所述电阻R2与二极管D3并联；芯片U1的8脚经二极管 D1、电阻R1与芯片U1的1脚连接；电阻R1和电容C2的连接点接电源VCC，电阻R4与电容C2的连 接点接地。
[0013] 进一步，所述双Boost模块包括芯片U2、第一 Boost升压支路和第二Boost升压支 路；
[0014] 所述第一Boost升压支路由电感LI、mos管Q3、电阻Rsnsi、二极管D4和电容Cciut组成， mos管Q3的栅极与芯片U2的PGATE1脚连接，mos管Q3的漏极经电感L1与VIN连接，mos管Q3的漏 极还经二极管D4、电容Cqut接地;mos管Q3的源极经电阻Rsnsi接地，且电阻Rsnsi与mos管Q3源极 相连接的一端还接芯片U2的Psensei+脚，电阻Rsnsi的另一端还接芯片U2的Psensei-脚；
[0015] 所述第二Boost升压支路由电感L2、mos管Q4、电阻Rsns2、二极管D5和Cciut组成，mos 管Q4的栅极与芯片U2的Pgate2脚连接，mos管Q4的漏极经电感L2与Vin连接，mos管Q4的漏极还 经二极管D5、电容Cciut接地，mos管Q3的源极经电阻Rsns2接地，且电阻Rsns2与mos管Q4的源极相 连接的一端还接芯片U2的PSENSE2+脚，电阻RSNS2的另一端还接芯片U2的PSENSE2-脚；
[0016]所述第一Boost升压支路与第二Boost升压支路的工作存在180°相位差，第一 Boost升压支路中的mos管Q3导通为电感L1蓄能时，第二Boost升压支路中的mos管Q4关断， 将电感L2存储的能量通过二极管D5向C QUT充电；工作180°相位后，第二Boost升压支路中的 mos管Q4导通为电感L2蓄能，第一 Boost升压支路的mos管Q3关断，将电感L1存储的能量通过 二极管D4向Cciut充电。
[0017]进一步，所述电流信号采集模块包括芯片U3、电容CBYP、电容&和电阻Rf ;
[0018] 所述芯片U3的P1脚经电容Cbyp后接地，芯片U3的P2脚接地，芯片U3的P3脚经电阻 Rf、电容CF接地，芯片U3的P4与气体阀的IP+端连接，芯片U3的P5脚与气体阀的IP-端连接，采 集流经气体阀的电流信号，实现正向、反向电流信号采集。
[0019] 所述滞回电压比较器包括电压比较器U4、电阻R5、电阻R6和电阻R7，所述电压比较 器U4的正相端经电阻R5接电源VCC，电压比较器U4的正相端还经电阻R6接地，电压比较器U4 的正相端还经电阻R7后电压比较器U4的输出端连接。
[0020] 本发明具有以下优点：
[0021] (1)输出电流可根据要求灵活可调，并且控制电流上升时间以及控制P/Η电流的电 压源在24V~150V范围内可调，可满足绝大多数气体机与双燃料机气体喷射高速电磁阀的 驱动要求；
[0022] (2)采用双通道两相升压电路，可满足升压速度与功率使用要求；
[0023] (3)高边驱动采用先进的自举悬浮驱动，结合局部电路参数的优化设计，有效地防 止了电路在工作过程中由于Latch-Up和Latch-Off等故障导致的电流波形异常，大大提高 了驱动电路的工作可靠性；
[0024] (4)电流信号采集采用了高精度的电流互感器，采集精度高，抗干扰能力强；
[0025] (5)采用了带滞回区间的电压比较器，采集到的电流信号与参考电压信号对比之 后，产生控制高边驱动的开关信号，从而控制驱动电流，电流的纹波值可通过调节滞回区间 进tx控制；
[0026] (6)2个或者2个以上的气体喷射阀工作存在重叠角，为了满足该要求，设计了独立 的高边驱动信号控制电路，能给你有效降低CPU的负荷；
[0027] (7)通过电源管理模块能够很好控制上电/掉电时序，有效降低了低边开关管损坏 的风险。
【附图说明】
[0028]图1为本发明的原理框图；
[0029] 图2为图1中高边驱动及开关管模块、气体阀及低边驱动及开关管模块的连接电路 图；
[0030] 图3为图1中双Boost模块的电路图；
[0031]图4为图1中电流信号采集模块的电路图；
[0032]图5为图1中的滞回电压比较器电路图；
[0033]图6为图5中的滞回区间工作示意图；
[0034]图7为本发明中上电/掉电时序图；
[0035]其中：1、双Boost模块，2、电源管理模块，3、高边驱动及开关管模块，3a、高边驱动， 4、气体阀，5、低边驱动及开关管模块，5a、低边驱动，6、电流信号采集模块，7、滞回电压比较 器，8、微控制器。
【具体实施方式】
[0036]下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0037]如图1所示的气体阀驱动电路，包括双Boos t模块1、电源管理模块2、高边驱动及开 关管模块3、低边驱动及开关管模块5、电流信号采集模块6、滞回电压比较器7和微控制器8。 电源管理模块2控制双Boost模块1产生的电压在24V~150V范围内可调，用于控制电流上升 时间以及为驱动电流提供电压源。电源管理模块2具有控制电源上电和掉电时序，可有效协 调各模块电路的工作。所述高边驱动及开关管模块3和低边驱动及开关管模块5用于控制电 流值以及感性负载的续流，高边驱动及开关管模块3与低边驱动及开关管模块5的驱动信号 由微控制器8产生，该高边驱动及开关管模块3与双Boost模块1连接，低边驱动及开关管模 块5与电流信号采集模块6连接。所述电流信号采集模块6将采集的电流信号转换为电压信 号并输入到滞回电压比较器7的反相端，该电流信号采集模块6与滞回电压比较器7的反相 端连接。所述微控制器8用于输出滞回电压比较器7的正相端所需的参考电压，产生高边驱 动及开关管模块3与低边驱动及开关管模块5所需的驱动信号，并对整个气体阀驱动电路的 关键数据进行监控，该微控制器8分别与滞回电压比较器7的正相端和输出端、电源管理模 块2、高边驱动及开关管模块3、低边驱动及开关管模块5连接。所述滞回电压比较器7将反相 端的电压信号与正相端的参考电压进行对比，并产生微控制器8所需的开关信号，该滞回电 压比较器7正相端和输出端与微控制器8连接。
[0038]如图1所示，使用时，将气体阀分别与高边驱动及开关管模块3、低边驱动及开关管 模块5连接。
[0039] 如图2所示，所述高边驱动及开关管模块3采用自举悬浮驱动，其包括高边驱动和 高边开关管Q1。所述高边驱动包括芯片U1 (IR2125)、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容 C1、电容C2、二极管D1、二极管D2和二极管D3，以上各元器件的连接关系如下：
[0040] 所述芯片U1的1脚经电容C2与芯片U1的4脚连接，芯片U1的2脚经电阻R4与芯片U1 的4脚连接，芯片U1的5脚经电阻R3与芯片U1的6脚连接，芯片U1的5脚还经电容C1与芯片U1 的8脚连接，二极管D2与电容C1并联;芯片U1的7脚分别与二极管D3的负极连接，且二极管D3 的正极与高边开关管Q1的栅极连接;所述电阻R2与二极管D3并联；芯片U1的8脚经二极管 D1、电阻R1与芯片U1的1脚连接；电阻R1和电容C2的连接点接电源VCC，电阻R4与电容C2的连 接点接地。
[00411 如图2所示，所述低边驱动及开关管模块5包括低边驱动5a和低边开关管Q2，低边 开关管Q2的栅极与低边驱动5a连接。
[0042]使用时，将低边开关管Q2的漏极和高边开关管Q1的漏极与气体阀4连接。高边驱动 产生斩波前，先打开低边开关管Q2，电容C1 (自举电容)通过电源VCC、电阻R1、二极管D1、电 容C1、气体阀4、低边开关管Q2进行充电，当电容C1两端的电压高于一定值后，高边驱动电开 始产生斩波，用于驱动高边开关管Q1导通。电阻R1的作用是防止电容C1过充，二极管D2的作 用是防止电容C1在过充时两端产生负压，二极管D3和电阻R2的作用是协调高边开关管Q1的 导通和关断速度。
[0043]如图3所示，所述双Boost模块1用于产生驱动气体阀4驱动电流所需的电压源，要 求电压高（高达120V)、功率大。双Boost模块1包括芯片U2(型号为LTC3862)、第一 Boost升压 支路和第二Boost升压支路。其中：所述第一Boost升压支路由电感LI、mos管Q3、电阻Rsnsi、 二极管D4和电容Cqut组成，mos管Q3的栅极与芯片U2的Pgatei脚连接，mos管Q3的漏极经电感L1 与Vin连接，mos管Q3的漏极还经二极管D4、电容Cqut接地;mos管Q3的源极经电阻Rsnsi接地，且 电阻Rsnsi与mos管Q3源极相连接的一端还接芯片U2的Psensei+脚，电阻Rsnsi的另一端还接芯片 U2的Psensei-脚。所述第二Boost升压支路由电感L2、mos管Q4、电阻Rsns2、二极管05和〇·组 成，mos管Q4的栅极与芯片U2的Pgate2脚连接，mos管Q4的漏极经电感L2与Vin连接，mos管Q4的 漏极还经二极管D5、电容Cqut接地，mos管Q3的源极经电阻Rsns2接地，且电阻Rsns2与mos管Q4的 源极相连接的一端还接芯片U2的PSENSE2+脚，电阻RSNS2的另一端还接芯片U2的PSENSE2-脚。 [0044]所述第一Boost升压支路与第二Boost升压支路的工作存在180°相位差，第一 Boost升压支路中的mos管Q3导通为电感L1蓄能时，第二Boost升压支路中的mos管Q4关断， 将电感L2存储的能量通过二极管D5向C QUT充电；工作180°相位后，第二Boost升压支路中的 mos管Q4导通为电感L2蓄能，第一 Boost升压支路的mos管Q3关断，将电感L1存储的能量通过 二极管D4向CQUT充电。双Boost模块1采用双通道两相升压，可满足气体阀工作对高电压、大 功率的要求。
[0045]如图2和图4所示，所述电流信号采集模块6包括芯片U3(型号为ACS758)、电容CBYP、 电容Cf、电阻Rf、电流信号源（即流经图2所示气体阀4电流的电流信号）。芯片U3的P1脚经电 容Cbyp后接地，芯片U3的P2脚接地，芯片U3的P3脚经电阻Rf、电容Cf接地，芯片U3的P4与气体 阀4的IP+端连接，芯片U3的P5脚与气体阀4的IP-端连接，采集流经气体阀的电流信号，实现 正向、反向电流信号采集。电流互感器的原边线圈与气体阀4串联，当驱动电流流过原边线 圈后，产生一个对应的磁场，内部的霍尔转换器将这个电磁场转换成对应比例的输出电压， 转换精度高达98%。由于原边线圈与输出是电气隔离的结构，通过电气隔离可以有效减少 气体阀驱动电路产生的干扰带入信号采集与反馈电路中，从而有效地提高电流控制的精 度。
[0046] 如图5和图6所示，所述滞回电压比较器7包括电压比较器U4、电阻R5、电阻R6和电 阻R7,所述电压比较器U4的正相端经电阻R5接电源VCC，电压比较器U4的正相端还经电阻R6 接地，电压比较器U4的正相端还经电阻R7后电压比较器U4的输出端连接。
[0047] 反向带滞回区间的电压比较器需要三个电阻网络（电阻R5、电阻R6和电阻R7)，当 电压比较器u的反相端Μ直小于正相端Va时，输出为高电平，低压阈值VaA
[0049] 当VIN > VA时，输出为低电平，高压阈值VA2为
[0051] 所以，总的滞回区间为
[0052] Δ Va=Vai.Va2
[0053] 采用外部的电压比较器，可有效减少微处理器8的负荷，为2个以上气体阀4工作存 在重叠角奠定基础，同时，设定滞回区间，一是有效地降低外部干扰对驱动电流控制的影 响，二是灵活调节驱动电流的纹波。
[0054] 如图7所示，微控制器8由5V、3.3V、1.5V电源供电，/P0RST是用来控制微控制器的 复位。本设计中，掉电时序对驱动电路的影响很大，在掉电过程中，如果刚好处在产生驱动 电流的时间段，并且PORST复位的时间较晚，此时驱动电路工作容易产生紊乱，驱动电流 信号乱窜，容易导致低边开关管Q2损坏。本发明在5V、3.3V、1.5V即将掉电之前，将PORST 置低，能够有效控制掉电时序，从而避免驱动电路出现工作紊乱的情况，有效降低了低边开 关管Q2损坏的风险。
【主权项】
1. 一种气体阀驱动电路，其特征在于:包括双Boost模块（1)、电源管理模块(2)、高边驱 动及开关管模块(3)、低边驱动及开关管模块(5)、电流信号采集模块(6)、滞回电压比较器 (7)和微控制器(8); 所述电源管理模块(2 )与Boost模块（1)连接，电源管理模块(2 )控制双Boost模块（1)产 生的电压在24V~150V范围内可调，用于控制电流上升时间以及为驱动电流提供电压源；电 源管理模块(2)还用于控制电源上电和掉电时序，以协调各模块工作； 所述高边驱动及开关管模块(3)和低边驱动及开关管模块(5)用于控制电流值以及感 性负载的续流，该高边驱动及开关管模块(3)与双Boost模块(1)连接，低边驱动及开关管模 块(5)与电流信号采集模块(6)连接； 所述电流信号采集模块(6)将采集的电流信号转换为电压信号并输入到滞回电压比较 器(7)的反相端，该电流信号采集模块(6)与滞回电压比较器(7)的反相端连接； 所述微控制器(8)用于输出滞回电压比较器(7)的正相端所需的参考电压，产生高边驱 动及开关管模块(3)与低边驱动及开关管模块(5)所需的驱动信号，并对整个气体阀驱动电 路的关键数据进行监控，该微控制器(8)分别与滞回电压比较器(7)的正相端和输出端、电 源管理模块(2)、高边驱动及开关管模块(3)、低边驱动及开关管模块(5)连接； 所述滞回电压比较器(7)将反相端的电压信号与正相端的参考电压进行对比，并产生 微控制器(8)所需的开关信号。2. 根据权利要求1所述的气体阀驱动电路，其特征在于：所述高边驱动及开关管模块 (3)米用自举悬浮驱动，其包括尚边驱动和尚边开关管Q1; 所述高边驱动包括芯片U1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1、电容C2、二极管 D1、二极管D2和二极管D3; 所述芯片U1的1脚经电容C2与芯片U1的4脚连接，芯片U1的2脚经电阻R4与芯片U1的4脚 连接，芯片U1的5脚经电阻R3与芯片U1的6脚连接，芯片U1的5脚还经电容C1与芯片U1的8脚 连接，二极管D2与电容C1并联;芯片U1的7脚分别与二极管D3的负极连接，且二极管D3的正 极与高边开关管Q1的栅极连接;所述电阻R2与二极管D3并联;芯片U1的8脚经二极管D1、电 阻R1与芯片U1的1脚连接；电阻R1和电容C2的连接点接电源VCC，电阻R4与电容C2的连接点 接地。3. 根据权利要求1或2所述的气体阀驱动电路，其特征在于:所述双Boost模块（1)包括 芯片U2、第一 Boost升压支路和第二Boost升压支路； 所述第一Boost升压支路由电感LI、mos管Q3、电阻Rsnsi、二极管D4和电容Cciut组成，mos管 Q3的栅极与芯片U2的PGATE1脚连接，mos管Q3的漏极经电感L1与VIN连接，mos管Q3的漏极还经 二极管D4、电容Cout接地;mos管Q3的源极经电阻Rsnsi接地，且电阻Rsnsi与mos管Q3源极相连 接的一端还接芯片U2的Psensei+脚，电阻Rsnsi的另一端还接芯片U2的Psensei-脚； 所述第二Boost升压支路由电感L2、mos管Q4、电阻Rsns2、二极管05和〇]111·组成，mos管Q4的 栅极与芯片U2的Pgate2脚连接，mos管Q4的漏极经电感L2与Vin连接，mos管Q4的漏极还经二极 管D5、电容Cciut接地，mos管Q3的源极经电阻Rsns2接地，且电阻Rsns2与mos管Q4的源极相连接 的一端还接芯片U2的PSENSE2+脚，电阻RSNS2的另一端还接芯片U2的PSENSE2-脚； 所述第一Boost升压支路与第二Boost升压支路的工作存在180°相位差，第一Boost升 压支路中的mos管Q3导通为电感L1蓄能时，第二Boost升压支路中的mos管Q4关断，将电感L2 存储的能量通过二极管D5向CQUT充电；工作180°相位后，第二Boost升压支路中的mos管Q4导 通为电感L2蓄能，第一 Boost升压支路的mos管Q3关断，将电感L1存储的能量通过二极管D4 向Cciut充电。4. 根据权利要求1或2所述的气体阀驱动电路，其特征在于:所述电流信号采集模块(6) 包括芯片U3、电容Cbyp、电容Cf和电阻Rf ; 所述芯片U3的P1脚经电容Cbyp后接地，芯片U3的P2脚接地，芯片U3的P3脚经电阻Rf、电容 CF接地，芯片U3的P4与气体阀（4 )的IP+端连接，芯片U3的P5脚与气体阀（4 )的IP-端连接，采 集流经气体阀(4)的电流信号，实现正向、反向电流信号采集。5. 根据权利要求1或2所述的气体阀驱动电路，其特征在于:所述滞回电压比较器(7)包 括电压比较器U4、电阻R5、电阻R6和电阻R7，所述电压比较器U4的正相端经电阻R5接电源 VCC，电压比较器U4的正相端还经电阻R6接地，电压比较器U4的正相端还经电阻R7后电压比 较器U4的输出端连接。
【文档编号】F16K31/02GK106090383SQ201610743561
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月26日
【发明人】黄都, 张鹏, 吴竞
【申请人】重庆红江机械有限责任公司