CN106014731B - 能量可回收的喷油器驱动电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种能量可回收的喷油器驱动电路，是由CPLD控制器、高端电流调理电路、BOOST控制电路及其他器件构建的拓扑结构。其中通过高端电流调理电路将电流信号转换为电流控制信号，BOOST控制电路监控BOOST电压是否达到设定阈值并提供控制信号输入CPLD控制器，CPLD控制器根据输入的各种控制信号合成喷油器驱动电流调制信号，该逻辑信号可在调制喷油器驱动电流的同时对BOOST模块进行充电。本发明的优点是：在调制喷油器驱动电流的同时对BOOST模块进行充电，提高了BOOST模块的充电速度，缩短喷油器每次驱动后高压恢复时间，有力地支持多次喷射；在多缸机应用系统中，使用较少的BOOST模块就能够满足驱动多路喷油器的需求，简化PCB的设计，降低ECU的设计成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种能量可回收的喷油器驱动电路，用于柴油机电控系统中各种喷油电磁阀的驱动。
背景技术
ECU在每次驱动喷油器工作后,BOOST电压幅值都有一定程度的跌落,一般来说BOOST电压恢复到设定电压需要一定的时间。如果在电压还没有恢复时，又有多次喷射的需求，那么该时刻的喷射电压就比设定值要小，此时的喷油器电流的峰值就会比正常值要小，喷油器驱动波形的一致性就会变差。
另外在多缸机应用领域，由于需要喷油器驱动的路数较多，因此需要设计较多的BOOST模块满足要求，但是较多的BOOST模块设计成本和PCB布局面积较大。
为解决BOOST电压恢复慢的问题,一般采用提高BOOST模块频率的办法来提高BOOST模块的充电效率,缩短BOOST电压的恢复时间。提高BOOST模块的充电频率，会使ECU的EMC性能变差，另外即使提高充电频率，BOOST电压的恢复时间也不会得到根本改善。
在多缸机应用系统中，ECU需要驱动多路喷油器工作，此时一般采用多个BOOST模块来保证多路喷油器的驱动工作。增加BOOST模块的数量，则PCB面积必然要增大，所用到的器件将明显增多，这样都会导致ECU的设计成本大幅提高。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种能量可回收的喷油器驱动电路，该电路在调制喷油器驱动电流的同时，将能量回收到BOOST模块，大大缩短BOOST电路的恢复时间，可以支持多次喷射，减少多缸机应用时BOOST模块的数量。
按照本发明提供的技术方案，所述的能量可回收的喷油器驱动电路包括：CPLD控制器、高端电流调理电路、BOOST控制电路，所述高端电流调理电路的两个输入端分别连接采样电阻R的两端，高端电流调理电路的峰值电流限制信号输出端、一阶电流控制信号输出端和二阶电流控制信号输出端连接CPLD控制器，CPLD控制器的高压开放输出信号端连接NMOS管T3的栅极，NMOS管T3漏极接BOOST电压，NMOS管T3源极连接二极管D3的阴极并连接采样电阻R的一端，采样电阻R另一端连接喷油器电磁线圈L的一端，二极管D3阳极接地；CPLD控制器的高端调制输出信号端连接NMOS管T1的栅极，NMOS管T1漏极接电源电压，NMOS管T1源极经过二极管D1也连接到采样电阻R的一端；CPLD控制器的低端调制输出信号端连接NMOS管T2的栅极，NMOS管T2源极接地，NMOS管T2漏极连接喷油器电磁线圈L的另一端；喷油器电磁线圈L的另一端还经过二极管D2连接BOOST电压以及BOOST模块的电容C1正极，电容C1负极接地，BOOST控制电路的两个输入端分别连接电容C1的两端，BOOST控制电路的能量回收使能控制信号输出端连接CPLD控制器。
通过所述高端电流调理电路负责采集电流信号，将电流信号转换为峰值电流限制信号、一阶电流控制信号和二阶电流控制信号输出到CPLD控制器，BOOST控制电路监控BOOST电压是否达到设定阈值并提供能量回收使能控制信号输入CPLD控制器，CPLD控制器根据输入的信号合成喷油器驱动电流调制信号，包括高压开放输出信号、高端调制输出信号和低端调制输出信号。
所述喷油器驱动电流调制信号在调制喷油器驱动电流的同时能够对BOOST模块的电容C1进行充电，根据当时BOOST电压是否小于设定的阈值来决定是否将续流电流的能量导入BOOST模块的电容C1。
喷油器驱动电流包括三个阶段，分别为高压开放阶段、一阶电流维持阶段、二阶电流维持阶段，工作过程如下：
高压开放阶段：BOOST高压迅速注入到喷油器电磁线圈L中，喷油器电磁线圈L的电流迅速拉升到设定的峰值；此时高端调制输出信号为低，低端调制输出信号为高，NMOS管T3，T2同时打开；在此阶段BOOST电压还未下降到设定的阈值，因此BOOST控制电路的输出的能量回收使能控制信号为高，即此时电路不会进行能量回收的工作。
一阶电流维持阶段：在本阶段由于BOOST电压下降到设定阈值以下，BOOST控制电路的输出信号变为低，即此时电路将进行能量回收工作；与此同时高端调制输出信号为高，低端调制输出信号为一阶电流的调制脉冲，3组驱动电流调制信号的驱动下，NMOS管T1常开，NMOS管T2在一阶电流调制脉冲的作用下不断的通断，这样NMOS管T1，二极管D1，采样电阻R，喷油器电磁线圈L，NMOS管T2，二极管D2，电容C1形成一个BOOST电路，在调制喷油器电流的同时，不断把喷油器续流电流的能量导入电容C1；在一阶电流维持阶段，只要BOOST电压没有恢复到设定阈值则调制喷油器电流的模式都是按照能量回收的模式进行调制。
二阶电流维持阶段：本阶段分为能量回收阶段和非能量回收阶段；
能量回收阶段，BOOST电压下降到设定阈值以下，BOOST控制电路的输出信号变为低，此时电路进行能量回收工作；与此同时高端调制输出信号为高，低端调制输出信号为二阶电流的调制脉冲，3组驱动电流调制信号的驱动下，NMOS管T1常开，NMOS管T2在二阶电流调制脉冲的作用下不断的通断，这样NMOS管T1，二极管D1，采样电阻R，喷油器电磁线圈L，NMOS管T2，二极管D2，电容C1形成一个BOOST电路，在调制喷油器电流的同时，不断把喷油器续流电流的能量导入电容C1；
当BOOST电压恢复到设定阈值的时候，电流调制进入非能量回收阶段；此时BOOST控制电路的输出信号变为高，低端调制输出信号变为高，高端调制输出信号变为二阶电流的调制脉冲，在3组驱动电流调制信号的共同作用下，NMOS管T2常开，NMOS管T1在二阶电流调制脉冲的作用下不断通断，此时的续流电流的能量不再导入电容C1而是消耗在由NMOS管T1，T2，二极管D1，喷油器电磁线圈L，采样电阻R构成的回路的内阻上。
本发明的优点是：
（1）本发明在调制喷油器驱动电流的同时对BOOST模块进行充电，提高了BOOST模块的充电速度，缩短喷油器每次驱动后高压恢复时间，有力地支持多次喷射；
（2）在多缸机应用系统中，使用较少的BOOST模块就能够满足驱动多路喷油器的需求，简化PCB的设计，降低ECU的设计成本。
附图说明
图1是本发明的电路拓扑结构图。
图2是本发明电路的逻辑相位图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，所述能量可回收的喷油器驱动电路包括：CPLD（可编程逻辑器件）控制器、高端电流调理电路、BOOST控制电路，所述高端电流调理电路的两个输入端分别连接采样电阻R的两端，高端电流调理电路的峰值电流限制信号输出端、一阶电流控制信号输出端和二阶电流控制信号输出端连接CPLD控制器，CPLD控制器的高压开放输出信号端连接NMOS管T3的栅极，NMOS管T3漏极接BOOST电压，NMOS管T3源极连接二极管D3的阴极并连接采样电阻R的一端，采样电阻R另一端连接喷油器电磁线圈L的一端，二极管D3阳极接地；CPLD控制器的高端调制输出信号端连接NMOS管T1的栅极，NMOS管T1漏极接24V电源电压，NMOS管T1源极经过二极管D1也连接到采样电阻R的一端；CPLD控制器的低端调制输出信号端连接NMOS管T2的栅极，NMOS管T2源极接地，NMOS管T2漏极连接喷油器电磁线圈L的另一端；喷油器电磁线圈L的另一端还经过二极管D2连接BOOST电压以及BOOST模块的电容C1正极，电容C1负极接地，BOOST控制电路的两个输入端分别连接电容C1的两端，BOOST控制电路的能量回收使能控制信号输出端连接CPLD控制器。
该拓扑结构不同于传统的喷油器驱动电路的结构，如图1中采样电阻R的位置。使用这样的拓扑结构，有利于在调制喷油器驱动电流的同时，对BOOST模块进行充电，从而达到能量回收的目的。
其中，高端电流调理电路负责采集电流信号，并将调理好的电流控制信号（包括峰值电流限制信号、一阶电流控制信号、二阶电流控制信号）输出到CPLD逻辑电路单元；BOOST控制电路可以根据实际BOOST电压是否达到设定的阈值给出控制信号；CPLD逻辑电路单元根据输入的电流控制信号、BOOST控制电路的控制信号进行逻辑运算（使用CPLD控制器中所固化的逻辑策略），合成喷油器驱动电流调制信号。CPLD逻辑电路单元是整个驱动电路的控制核心，它根据输入的各种控制信号合成正确的逻辑信号来调制喷油器驱动电流。
喷油器电流调制一般采用PEAK-HOLD模式，即首先用高压快速拉升喷油器的电流到达设定的峰值，然后用电池电压（24伏或者12伏）分2个阶段将电流维持在设定的阈值。下面将分阶段详细叙述整个电路的工作过程。由于本发明的重点在于构建能量可回收新型驱动电路的拓扑结构和能量回收的逻辑控制，因此对于电流的调制逻辑不做重点描述。
（1）如图1所示，本发明由高端电流调理电路，BOOST控制电路，CPLD控制器以及图示的各离散器件构成了一个新型的拓扑结构，该拓扑结构在电流调制阶段根据此时BOOST电压是否小于设定的阈值来决定是否将续流电流的能量导入BOOST模块的电容C1（以下称BOOST电容），电阻R的位置可以确保电路能全面监控喷油器中调制电流的变化情况。
（2）如图2所示，喷油器驱动电流（图2最上方一条波形）一共可分为三个阶段分别为高压开放阶段（t0时刻到t1时刻）、一阶电流维持阶段（t1时刻到t2时刻）、二阶电流维持阶段（t2时刻到t4时刻）。下面分阶段描述这三个阶段的工作过程：
高压开放阶段（t0时刻到t1时刻）：该阶段BOOST高压迅速注入到喷油器中，喷油器的电流迅速拉升到设定的峰值。此时高端调制输出信号为低，低端调制输出信号为高，即图1所示的MOS管T3，T2同时打开。在此阶段BOOST电压还未下降到设定的阈值，因此BOOST控制电路的输出的能量回收使能控制信号为高，即此时电路不会进行能量回收的工作。
一阶电流维持阶段（t1时刻到t2时刻）：在该阶段由于BOOST电压下降到设定阈值以下，BOOST控制电路的输出信号变为低即此时电路将进行能量回收工作。与此同时高端调制输出信号为高，低端调制输出信号为一阶电流的调制脉冲，在这3组逻辑信号的驱动下，图1中的MOS管T1常开，T2在电流调制脉冲的作用下不断的通断，这样T1，D1，R，喷油器，T2，D2，C1就形成了一个BOOST电路，在调制喷油器电流的同时，不断把喷油器续流电流的能量导入BOOST电容C1 ，实现了能量回收的目的。只要BOOST电压没有恢复到设定阈值则调制喷油器电流的模式都是按照能量回收的模式进行调制。
二阶电流维持阶段（t2时刻到t4时刻）：由图2所示，该阶段一共分2个阶段，分别为能量回收阶段（t2时刻到t3时刻）和非能量回收阶段（t3时刻到t4时刻）
能量回收阶段的工作模式和上面所述的原理相同，只是此时能量回收时喷油器电流调制的幅值为二阶电流的幅值。当BOOST电压恢复到设定阈值的时候，电流调制进入非能量回收阶段。此时BOOST控制电路的输出信号变为高，低端调制输出信号变为高，高端调制输出信号变为二阶电流的调制脉冲，在这3组逻辑信号的共同作用下，图1中的T2常开，T1在电流调制脉冲的作用下不断通断，此时的续流电流的能量不再导入BOOST电容C1而是消耗在由T1，T2，D1 ，喷油器，R构成的回路的内阻上。这样的逻辑避免了BOOST电容C1过充的危险，保持了BOOST电压的稳定。
喷油器在启动时需要大电流的注入迅速开启,传统的驱动电路在工作时, 续流电流并没有导入到BOOST模块,而是消耗在驱动电路构建的续流支路内阻上面, 这部分能量以热能的形式消耗掉了。如果采用本发明的拓扑结构，将维持电流的续流电流能量导入到BOOST模块中，就可将这部分续流电流的能量转换为BOOST高压，实现了能量回收，并大大缩短每次喷射后BOOST高压的恢复时间，提高了BOOST模块的充电效率，能很好满足多次喷射的需求。在设计大功率ECU时，由于需要驱动的喷油器数量较多，相应的也需要较大功率的BOOST模块。采用这种基于能量回收结构的喷油器驱动电路可减少BOOST模块的数量，简化PCB板的设计。
Claims (5)
1.能量可回收的喷油器驱动电路，其特征是，包括：CPLD控制器、高端电流调理电路、BOOST控制电路，所述高端电流调理电路的两个输入端分别连接采样电阻R的两端，高端电流调理电路的峰值电流限制信号输出端、一阶电流控制信号输出端和二阶电流控制信号输出端连接CPLD控制器，CPLD控制器的高压开放输出信号端连接NMOS管T3的栅极，NMOS管T3漏极接BOOST电压，NMOS管T3源极连接二极管D3的阴极并连接采样电阻R的一端，采样电阻R另一端连接喷油器电磁线圈L的一端，二极管D3阳极接地；CPLD控制器的高端调制输出信号端连接NMOS管T1的栅极，NMOS管T1漏极接电源电压，NMOS管T1源极经过二极管D1也连接到采样电阻R的一端；CPLD控制器的低端调制输出信号端连接NMOS管T2的栅极，NMOS管T2源极接地，NMOS管T2漏极连接喷油器电磁线圈L的另一端；喷油器电磁线圈L的另一端还经过二极管D2连接BOOST电压以及BOOST模块的电容C1正极，电容C1负极接地，BOOST控制电路的两个输入端分别连接电容C1的两端，BOOST控制电路的能量回收使能控制信号输出端连接CPLD控制器。
2.如权利要求1所述的能量可回收的喷油器驱动电路，其特征是，通过所述高端电流调理电路负责采集电流信号，将电流信号转换为峰值电流限制信号、一阶电流控制信号和二阶电流控制信号输出到CPLD控制器，BOOST控制电路监控BOOST电压是否达到设定阈值并提供能量回收使能控制信号输入CPLD控制器，CPLD控制器根据输入的信号合成喷油器驱动电流调制信号，包括高压开放输出信号、高端调制输出信号和低端调制输出信号。
3.如权利要求2所述的能量可回收的喷油器驱动电路，其特征是，所述喷油器驱动电流调制信号在调制喷油器驱动电流的同时能够对BOOST模块的电容C1进行充电，根据当时BOOST电压是否小于设定的阈值来决定是否将续流电流的能量导入BOOST模块的电容C1。
4.如权利要求3所述的能量可回收的喷油器驱动电路，其特征是，喷油器驱动电流包括三个阶段，分别为高压开放阶段、一阶电流维持阶段、二阶电流维持阶段，工作过程如下：
高压开放阶段：BOOST高压迅速注入到喷油器电磁线圈L中，喷油器电磁线圈L的电流迅速拉升到设定的峰值；此时高端调制输出信号为低，低端调制输出信号为高，NMOS管T3，NMOS管T2同时打开；在此阶段BOOST电压还未下降到设定的阈值，因此BOOST控制电路的输出的能量回收使能控制信号为高，即此时电路不会进行能量回收的工作；
一阶电流维持阶段：在本阶段由于BOOST电压下降到设定阈值以下，BOOST控制电路的输出信号变为低，即此时电路将进行能量回收工作；与此同时高端调制输出信号为高，低端调制输出信号为一阶电流的调制脉冲，3组驱动电流调制信号的驱动下，NMOS管T1常开，NMOS管T2在一阶电流调制脉冲的作用下不断的通断，这样NMOS管T1，二极管D1，采样电阻R，喷油器电磁线圈L，NMOS管T2，二极管D2，电容C1形成一个BOOST电路，在调制喷油器电流的同时，不断把喷油器续流电流的能量导入电容C1；
二阶电流维持阶段：本阶段分为能量回收阶段和非能量回收阶段；
能量回收阶段，BOOST电压下降到设定阈值以下，BOOST控制电路的输出信号变为低，此时电路进行能量回收工作；与此同时高端调制输出信号为高，低端调制输出信号为二阶电流的调制脉冲，3组驱动电流调制信号的驱动下，NMOS管T1常开，NMOS管T2在二阶电流调制脉冲的作用下不断的通断，这样NMOS管T1，二极管D1，采样电阻R，喷油器电磁线圈L，NMOS管T2，二极管D2，电容C1形成一个BOOST电路，在调制喷油器电流的同时，不断把喷油器续流电流的能量导入电容C1；所述3组驱动电流调制信号包括高压开放输出信号、高端调制输出信号和低端调制输出信号；
当BOOST电压恢复到设定阈值的时候，电流调制进入非能量回收阶段；此时BOOST控制电路的输出信号变为高，低端调制输出信号变为高，高端调制输出信号变为二阶电流的调制脉冲，在3组驱动电流调制信号的共同作用下，NMOS管T2常开，NMOS管T1在二阶电流调制脉冲的作用下不断通断，此时的续流电流的能量不再导入电容C1而是消耗在由NMOS管T1，NMOS管T2，二极管D1，喷油器电磁线圈L，采样电阻R构成的回路的内阻上。
5.如权利要求4所述的能量可回收的喷油器驱动电路，其特征是，在所述一阶电流维持阶段，只要BOOST电压没有恢复到设定阈值则调制喷油器电流的模式都是按照能量回收的模式进行调制。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |