缸内直喷汽油机高压喷油器驱动电路的设计

栅极驱动芯片IR2110具有独立的高端和低端输入通道，高端工作电压可达500 V，输出的电源端电压范围为10～20 V，逻辑电源电压为5～15 V，可方便地与TTL、CMOS电平相匹配，具有工作频率高，导通、关断延迟小等特点。
高端自举驱动电路的工作原理如下：PWM信号H_IN输入到IR2110的高端信号输入引脚HIN，其反相信号L_IN输入到低端信号输入引脚LIN。当HIN引脚输入低电平、LIN引脚输入高电平时，HO输出为低电平，LO输出为高电平，此时，MOSFET管Q1导通，由+12V、D2、C2、Q1、GND构成的充电回路对自举电容C2充电；当HIN引脚输入高电平、LIN引脚输入低电平时，C2充电完毕，IR2110的引脚HO与引脚VB(C2正极)导通。此时，Q2栅源极电压高于其开启电压，高端MOSFET被打开，自举完成。此外，电阻R5和电容C5用于延时LO引脚信号输出，以防止高压端对地短路。
自举元件D2、C2的选取直接影响自举电路的驱动性能。在电路中，自举二极管起到隔离高端电源与低端电源的作用。当Q2导通时，其栅源极开启电压VGS(th)完全由自举电容提供，选用超快速恢复二极管MUR160，能够承受电路中的全部电压，且可以减小自举电容反馈进电源的电荷量。此外，C2必须具有足够的储能才能驱动Q2的栅极，应选用钽电容，并尽量靠近芯片。自举电容最小的电荷量可由式(3)计算：

式中：Q1为MOSFET栅极电荷；f为工作频率；Iqbs(max)为高端驱动最大静态电流；ICbs(leak)为自举电容漏电流；Qls为每个工作周期内电平转换电路中的电荷。
自举电容必须能够提供不低于上述要求的电荷，为保证一定的裕量，自举电容上的电荷必须是最小电荷量的两倍。利用式(4)可以计算自举电容的电容量：

式中：Vf为自举二极管的正向压降；VLS为低端MOSFET的压降；VMfin为Vb与Vc之间的最小压差。由式(3)(4)计算得自举电容应当大于0．26μF，实际选取0．47μF，耐压为35V的钽电容。

4 电流分段控制电路
电流分段控制电路由基准电压设定电路A和电流反馈控制电路B组成，如图5所示。其中，电流传感器反馈电压Vf与喷油器驱动电流大小成正比，拾波和保持阶段驱动电流的大小则通过输出信号S_IN控制喷油器低压电源的通断来实现。

如图5(A)所示，基准电压Vref大小由分压电阻R1、R2、R3和三极管S1共同决定：正常情况下，单稳态触发器输出保持高电平，三极管S1导通，Vref(5-0．6)x[R2／(R2+R3)]；当高压触发信号结束时，其下降沿会触发单稳态触发器输出一个设定脉宽的低电平脉冲，三极管S1截止，Vref=5x(R1+R2)／(R1+R2+R3)]。
如图5(B)所示，电流反馈控制电路主要由电压比较器U1和与门U2构成，工作原理是：当Vref大于Vf时，U1输出高电平，与喷油脉宽信号和PWM信号相与后，S_IN输出一个PWM信号，控制低压电源对喷油器供电，使电流不断上升，电流传感器反馈电压Vf也随着上升；当Vf大于Vref时，U1输出低电平，与喷油脉宽信号和PWM信号相与后，S_IN输出低电平，低压电源停止对喷油器供电，使电流下降，直到Vf小于Vref。不断重复上述动作，实现电流的反馈控制。
通过电流反馈和基准电压的共同作用实现了电流的分段控制。

5 实验验证和结论
对所设计的驱动电路进行试验，12 V电压经过升压后可以得到90 V高电压。设置喷油脉宽为5 ms，所测得的电流波形如图6所示。

喷油开始时，通过喷油器的电流在250μs内迅速上升到16 A使喷油器打开，随后在拾波阶段和保持阶段分别产生5 A和2．5 A的电流，以保持喷油器持续打开直至喷油结束。
所设计的驱动电路结构简单，实用性强。升压电路具有过流保护功能，有效地提高了驱动电路的安全系数。采用双电源供电方式，加快了喷油器的开启响速度；采用三段电流驱动方式，降低了系统功耗，有效地延长了喷油器的使用寿命。