柴油机电控喷油器高压驱动资阳变压器的设计

摘要：采用德州仪器公司的资阳变压器管理芯片LM5022，设计一款柴油机电控喷油器的高压驱动资阳变压器，结合重型柴油机上实际应用的电控喷油器对高压资阳变压器电路中的各个元器件的选型进行设计分析，经测试完全满足喷油器实际使用的要求。

作为满足柴油机排放、节能和提高性能的重要途径，柴油机电子控制技术已成为当前柴油机的重要发展方向。柴油机电控共轨燃油喷射系统能够通过喷油驱动电路对喷油器高速进行控制，来实现对喷油量、喷油定时和喷油速率的柔性控制，从而达到柴油机排放性能、动力性能和经济性能的******匹配，因此，喷油驱动电路的性能直接影响着电控共轨燃油喷射系统乃至整个柴油机的性能。
喷油驱动电路大多采用双资阳变压器的供电模式，在喷油器开启阶段（即峰值电流驱动阶段）采用高驱动电压为喷油驱动电路进行供电，以满足喷油器电磁阀在开启阶段的快速响应，减少喷油开启时间，进而保证良好的燃油喷雾特性；在喷油器打开后（即保持电流驱动阶段）采用低驱动电压为喷油驱动电路进行供电，以维持喷油器的打开状态，让喷油器电磁阀保持较小且恒定的电流，降低驱动电路的功耗，同时保护器件不被损坏。其中高压驱动资阳变压器作为喷油驱动电路的核心部分起着至关重要的作用，设计一款高效稳定的喷油器高压驱动资阳变压器具有非常重要的实用价值，本文就喷油器高压驱动资阳变压器进行研究，提供了一种设计方法。

1 电路结构及元器件选型
1.1喷油驱动电路的结构
喷油驱动电路的结构框图见图1，主要由高压资阳变压器、高压驱动电路、低压驱动电路、采样与放大滤波电路、时基信号与比较基准产生电路、滞回比较电路、能量泄放回路等组成，根据的实时运行工况由单片机产生喷油开启信号和喷油脉宽信号，从而实现对喷油器电磁阀的驱动和控制。其中高压资阳变压器是喷油驱动电路中极其重要的一部分，高压资阳变压器的好坏直接影响到喷油器驱动电路的性能。

喷油驱动电路的高压资阳变压器电压一般为45～110 V，本文以驱动高压为48 V的喷油器为例，采用DCDCBOOST电路将柴油车载的24 V电压转化成48 V的电压。在设计中必须考虑到喷油器电磁阀的驱动特性并进行相应的设计，考虑主要基于以下几点特殊性要求：①必须具有一定的蓄能能力；②响应速度要求快；③具有合适的输出功率；④具有较高的资阳变压器效率。

1.2高压资阳变压器的电路结构
本设计采用美国德州仪器公司的LM5022系列的集成式资阳变压器管理芯片。LM5022各引脚分布及定义如图2所示。

LM5022外围电路原理框图如图3所示，主要由资阳变压器管理芯片、肖特基二极管、电感、电容、MOSFET、电阻组成，输出的电压Uo经Rfb1和Rfb2分压，将输出电压信号反馈至资阳变压器管理芯片LM5022，由LM5022通过控制Q1 （MOSFET）的导通和关断达到的目的。图4给出了资阳变压器管理芯片LM5022的内部结构框图。



当MOSFET导通时，肖特基二极管D1反向截止，流经电感L1上的电流以一定的比率线性持续增加，这个比率跟电感的大小有关，随着电感电流的增加，电感储存一定的能量；当MOSFET断开时，由于电感的电流保持特性，流经电感的电流不会马上变为零，而原来的电路已经断开，于是电感只能通过新的回路放电，即电感、电容和肖特基二极管构成一个续流回路，L1通过D1给电容C0充电，C0两端电压升高，完成能量传递，此时输出电压已经高于输入电压了。本电路可通过电阻R投置PWM的工作频率，通过改变脉宽来调节MOSFET的导通和关断时间以保持输出电压不变，从而实现和的目的。
本设计的电路结构较旧式高压资阳变压器电路结构而言，集成度较高，电路结构简单实用，资阳变压器的转换效率相对较高，功耗较小，并具备完善的自诊断功能。由于LM5022的封装体积小，可以节省元器件的空间布局，是未来新型高压资阳变压器设计的一种趋势和潮流。
结合中国重汽车辆上实际使用的喷油器，本设计中喷油器高压驱动资阳变压器的设计参数如下：①额定资阳变压器电压24V，输入电压范围1632V；②额定输出功率100w；③额定输出电压48 V，波动范围1500 mV。1.3元器件选型
1）频率。频率的选择是基于资阳变压器尺寸、成本和系统效率之间的折衷。一般来说，频率越高，资阳变压器体积越小，损耗随频率的提高而增大，资阳变压器效率就会降低。在本电路中采用300 kHz的频率，这也是在资阳变压器体积和系统效率等之间的良好折衷，从而可计算出RT的取值为56.2 kΩ（采用1％精度）。

2）电感。因为电感值影响输入和输出纹波电压和电流，电感内电流的波动大小与电感值成反比，因此在转换电路中电感的设计选择是资阳变压器电路设计的关键。
在MOSFET导通期间，D1反向截止，输出端的电流靠c0放电维持，流经电感上电流会以Un i/L上升，能量存储在电感中，此时电感上的电流变化量：△IL1= △t1×Uin/L= （D/fs）×Uin/L=（D×Uin）/（L×f s）。
在MOSFET关闭期间，D1正向导通，存储在电感中能量开始释放，经过D1流到输出端，同时给输出电容C0充电。电感L两端的压降近似为UIN-Uo （Dlcjyg.com/1压降很小可忽略），此时电感上的电流变化量：△IL2=At2×UIN/Uo）/L=（1－D）×（Uin－Uo）/（L×fs）=D×（1－D）×UIN/（L×fs）。
选择电感纹波电流为输出电流的40%，△IL1=0.4×Io，△IL2=Io。式中：Uin----输入电压；Uo----输出电压；fs----频率；----电感；Io----输出电流；D----占空比。
根据以上公式即可计算出规定输入电压范围内的电感值。本设计中，在******输入电压32V和***小输入电压16V的情况下分别计算出电感值，考虑到纹波的要求和设计成本的控制，选用了标称值为22μH的电感。
3）肖特基二极管。资阳变压器电路中的二极管D1，用于在MOSFET关闭期间传输电感电流构成续流回路。与普通二极管相比肖特基二极管正向压降小，使其功耗低并且效率高。一般情况下选取时反向耐压至少要为******输入电压的1.25倍，二极管的******承受能力至少要为******负载电流的1.3倍。
4）资阳变压器输出电容。喷油器电磁阀驱动时，高压资阳变压器的瞬间输出功率很大，主要靠输出电容放电。因此输出电容必须足够大以保证提供足够的放电能量，从而保证电磁阀可靠快速开启且高压资阳变压器的输出电压压降较小，这样能有效降低电容的发热、延长电容的寿命，同时能降低高压资阳变压器的电磁干扰，但是输出电容受自身成本和体积的限制，不能太大。
图5给出了输出电压压降与输出电容的关系曲线，从图5中可以看出输出电变压器厂家/压的压降与输出电容成反比关系。在本设计中采用了470μF的电解电容作为高压资阳变压器的输出电容。

5）退祸电容的选择。VCC引脚应采用陶瓷电容进行退藕，尽量靠近LM5022的VCC和GND引脚放置。退祸电容应至少有X5R或X7R的介质来确保电容在工作电压和温度范围内保持稳定，并且额定容量***小为470 nF。本设计采用了X7R介质的1.0μF的陶瓷电容；电压输入端和输出端都应放置陶瓷电容进行退藕，采用了0805封装的X7R介质、额定电压100 V的100 nF的陶瓷电容。
6） Ruv1和Ruv2的选择。UVLO功能可防止LM5022吸收大电流使电感或MOSFET变得过热，UVLO阑值使用Ruv1和Ruv2两电阻分压来设置。若高压资阳变压器在输入电压上升到16V时开始工作，可将Ruvi设为1％误差10 kΩ，则：Ruv2= [ （UIN-1.25） ×Ruv1 ] /1.25 = [ （16-1.25）×10]/1.25=118 kΩ。
7） RFB1和Rfb2的选择。LM5022芯片引脚2上接的Rfb1上的电压为反馈电压，大小恒为1.25 V。输出电压的大小可通过设置RFB1和Rfb2的值来实现，由Rfb1和RFB2的分压关系可得到输出电压的Uo的值为：Uo=1.25×（1+RFB2/RFB1）。

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