螺線管（solenoid）是一種有固定移動範圍的線性馬達。可以用螺線管設計簡單的開/關應用，其功用大概就像繼電器。例子包括起動器和門鎖等。

在另一方面，線性或成比例的特質表示螺線管是可以被很精確控制的。在變速器和燃油噴射等應用方案中便使用螺線管操作活塞和活門，以準確控制液體壓力或是流動。

螺線管在自動控制應用中的角色

變速器需要精確且平順地控制施加在離合器的壓力，以切換齒輪和控制鎖定扭力轉換器（locking torque converter）。電子控制變速器可能有八個以上的線性螺線管，全部都要加以平順和精確地控制。當共軌（Common-rail）柴油噴射的壓力超過2000 psi時，可能需要在每個汽缸和燃油泵都裝一個線性螺線管，以準確調整壓力來維持穩定的燃油噴射流量。

範例：電子變速控制

由於電子控制具有較佳的駕駛品質和燃油效率，在自動變速系統中已經大幅取代機械控制的方式。在以往鎖定扭力轉換器提供較佳的燃油效率和加速性，而近來結合軟體和硬體（採用電子控制螺線管）的方式更容易調整換檔步驟，而且有較好的變速－換檔平順度和品質。

整體而言，電子控制變速器是更加簡單、可靠和便宜的機電系統。電子變速控制系統比較不會出現突發的齒輪變換而且提昇換檔平順度，因此有效改善了對變速換檔點的控制程度。此外電子控制的靈活度對於不斷改變的路況，有較佳的適應性。電子控制換檔點具有更細微的分辨率，能讓駕駛人用最少的力氣就能得到更好的加速性、更省油、更好的負載控制，與減少燃料散發。另外電子控制也讓變速器在不同的負載，和加速情況下換檔更為平順。

除了換檔速度、真空和駕駛人的輸入因素外，電子控制系統能夠納入許多會影響換檔控制演算步驟的輸入條件。部份因素包括預先點火、噴射器因素、輸入速度感應器、由電線所作的換檔選擇、引擎速度、油門位置、扭力轉換器速度/鎖定、自動變速器機油溫度、引擎溫度、空轉（wheel-slip）感應器和慣性感應器等。綜合這些輸入條件可以得到很多個適合整體操作情況的最適換檔點。為了更有效利用這些輸入條件，採用一個能夠正確及任意電子控制調整換檔點，和換檔速度的系統是絕對必要的。

電子控制自動變速器仍然使用油壓控制來變換齒輪。相較於機械式系統（參見下文），機電系統採取的電子控制油壓方式，是用線性螺線管改變施加在連結離合器組的制動器上的油壓大小。為了達到此目的，精確且可重複地控制螺線管的開端（opening）是非常重要的—施以正確的油壓液體量就能精確且可重複地控制換檔點。

機械變速控制

老式的控制變速換檔點包括複雜而且取決於速度的油壓線路。換檔動作是在複雜的控制閥本體（valve body）內改變油壓而完成。而油壓是由附在輸出軸的調節器（governor）所調整。離心力使調節器移動，放出變速油並增加控制閥的壓力。適應不斷改變的駕駛狀況唯一的方法通常是在高加速度時強迫換到低速檔，或是裝上機械制動器。

當駕駛人需要更快的加速度時，通常是換到低速檔，此機制包括一根控制桿從引擎的油門控制區間，移到變速器那邊。控制桿驅動一個槓桿，關閉油門本體內的一連串通道。這促使變速器在高加速下換到低速檔，直到全速時調節器取代換低速檔機制。

適應負載改變的方法是使用真空調整器（vacuum modulator）。當引擎負載提高時，真空改變使得控制桿滑進或滑出控制閥本體，因而改變變速換檔點和換檔速度。雖然這些控制換檔點和換檔平順度的方法是有效的，但因為所採用的機械系統特性，人們並沒有辦法針對更多的環境變化來調整這些參數。

決定螺線管的位置

線性螺線管的位置是由一組回授迴路所控制。比如說，可以監測汽閥的順向壓力當成回授信號，與設定點作比較，再調整脈波寬度調變（pulse-width modulation；PWM）的工作週期以控制螺線管。然而測量順向壓力可能相當困難且不實際，或是很昂貴的。

實務的作法是測量流過螺線管的電流值，以確定螺線管的位置。這個方式之所以可行的原因，是施加在螺線管上的機械負載與磁場大小成正比，而磁場強度又和流過線圈的電流值成正比。因此測量螺線管電流就能得到磁場強度，而在彈簧式負載和螺線管磁場之間保持平衡就可以均衡控制螺線管。

PWM螺線管控制

螺線管的動力來源是由微控制器產生的脈波寬度調變輸入信號，快速開啟和關閉串聯螺線管和電源（汽車電池）的場效應電晶體（FET）開關所驅動。算出波形的上升時間與脈波時期的比率，就能得出平均電壓值。如果脈波寬度和螺線管的機械負載有任何變化，也會導致流過螺線管的平均電流隨之改變。平均電流代表著螺線管的移動量，以及液壓和流動。

特定PWM波形的平均電流和螺線管運動的關係可以經由特性化的過程求得。雖然磁力和螺線管的電流成正比，但是實際的機械力和運動之間並非如此緊密相關，因為這取決於螺線管和負載特性。所以需要用特性化步驟算出平均電流與螺線管開端的關係。比如說，當螺線管第一次充能以克服靜磨擦時，PWM比率一定會提高。一旦克服靜磨擦，在移動螺線管時會有不同的PWM比率。

測量經過線圈的電流

電流是表示螺線管狀態的重要指標。而測量螺線管電流最有效的方法就是測量與螺線管、電池和開關串聯的阻抗分流器電壓。有幾個不同的方式可以設定開關串聯電路，以及測量電壓。

高端驅動的低端電流檢測電路

在(圖一)的電路中有一個連結到電池高端的開關（未接地），而且串聯到螺線管線圈和接地之間的阻抗分流器。在線圈上反接一個二極體（造成短路），如此能鉗制在關閉電流時線圈所產生的電感電壓。將分流器連結接地參考電位，就是一個不貴且具備中等共態規格的作業放大器，可用在電子控制器（electronic control unit；ECU）以測量橫跨分流器的電壓大小。

《圖一　具備高端關關和低端檢測的電子控制器》

設計者在考慮使用這個方法時，必須注意到以下的缺點：

低端開關的高端電流檢測電路

驅動螺線管比較好的辦法是將一個開關當作接地，如(圖二)，可以使用比較便宜的低端開關。

檢測結果可能會明顯提昇，因為在測量時有將螺線管的再循環電流考慮在內。此外驅動器也比較便宜，因為不需要和閘道作位階轉換。

《圖二　具備低端關關和高端檢測的電子控制器》

然而這裡所用的放大器一定要具有高共模抑制性，而且必須要避開顯著的共模電壓（CMV）。此例中的分流器電壓大小會從「電池電壓」變成「電池電壓加上二極體的降壓部份」。其原因如下：當關上開關時，分流器的共模電壓等級會維持在低阻抗電池電壓的等級。當開關開啟時，螺線管的電壓會因為螺線管的電感而反轉，因而在瞬變電流流動，且共模電壓回歸到電池電壓前，會包括鉗制二極體下降的部份。

這個驅動方式有一個重要的優點是可以測量短路到接地的情形，因為高端電流會如(圖二)所示地流經分流器。

使用此電流檢測方法時有一個重要的注意事項是，電池的高端會永遠連著螺線管。萬一出現間斷的短路接地時，螺線管可能會意外開關。此外持續施加電壓在螺線管上，久了也可能會造成過度侵蝕。

高端開關的高端電流檢測電路

(圖三)的電路能將意外啟動螺線管和過度侵蝕的可能性減到最低，此電路的開關和分流器都連到高端。在開關關閉時將電池電壓隔離螺線管，避免了短路接地可能造成的損害，而且將再循環電流包含在測量結果內。當開關打開時將電池電壓與負載隔開，所以消除了電壓差異造成的侵蝕效果。

《圖三　具備低端螺線管和高端關關及檢測的電子控制器》

然而在此情形下，當開關打開時螺線管兩端的電壓反轉將造成更大的共態電壓轉向（swing），從電池的高端電壓掉到比接地還要少一個二極體的降壓等級（反向電壓被鉗制二極體所限制）。因此在這裡所使用的放大器必須要能提供準確的分流器電壓（電流）測量結果，而且當開關關閉時能忽略大量且快速的共模電壓轉向。

此設計與低端開關、高端檢測電路圖二相同，能夠測量短路接地的情形，因為所有的螺線管電流都從高端流過分流器，如(圖三)所示。

簡單的高端電源測量線路

因此，單電源差動放大器需具備完成單一IC封裝所需要的全部性能。(圖四)為應用在ECU內以測量高端電流的範例。

《圖四　具備低端螺線管和高端關關及檢測的電子控制器》

該放大器在這裡用來放大和濾波來自分流器的小量差分電壓，而將上述提及的大量共態轉向排除在外。(圖五)為內部線路功能區塊圖。

《圖五　功能區塊圖》

在考慮採用便宜的運算放大器和外部電阻來設計差動放大器之前，注意在測量螺線管電流時，如果想要達到控制應用準確度的性能，需要用差異在0.01％以內的電阻來建構線路。具備內建雷射調整電阻，能夠在處理交流（AC）與直流（DC）電壓作業時都達到此精確程度。而小型封裝整合線路（SOIC）封裝格式的典型飄移及增益漂移分別為6μV/℃和10ppm/℃。此功能亦具備從直流電到10kHz的最低80 dB共模抑制（common-mode rejection）。除了提供SOIC封裝格式外，也可以晶片方式供應。這兩種封裝選擇都能在寬廣的溫度範圍內正常作業，因此適合用於許多汽車及工業平台上。SOIC封裝格式的規格是－40℃到＋125℃，而晶片是從－40℃到＋150℃。而前置放大器的輸出端還有一個額外可存取100-kΩ電阻，可以與外部電容一起當作低通（low-pass）濾波器運用，與外部電阻合用可作出不同於預設為20的增益值。

（作者任職於ADI美商亞德諾）

延 伸 閱 讀	未來智慧手機的電源管理技術 兩個順接串聯的螺線管L=L1+L2+2M，其中M為兩螺線管互感。這兩式均已經證明，但若同時使用這兩式進行計算時，將出現矛盾。經計算發現，其根本原因在於有限長螺線管內部磁場的計算方法上。相關介紹請見「 有限長螺線管串聯等效電感的計算」一文。 為了正確選定磁體生產工藝、絕緣和黏接材料並進行機械性能測試，需要繞制超導螺線管磁體模型線圈，實驗物理中心超導組全體同志不分晝夜連續作戰，克服多種困難，經過三個 多月的奮戰，模型線圈繞制完成並固化成形。你可在「 BESIII超導螺線管磁體模型線圈試驗全部完成 」一文中得到進一步的介紹。 有三個因素與通電螺線管周圍的磁場有關：螺線管的磁極、電流方向及繞線情況。在這三個因素中，任意兩個都能決定第三個。 在「 全面理解通電螺線管」一文為你做了相關的評析。

市場動態

Aerco公司推出一系列直流供電的管狀螺線管(Solenoid)，這種名為Black Knight的螺線 管可提供各種尺寸大小，工作電壓從6V至24V，額定連續閉合功率在4W至17W，有焊縫安裝和 底板安裝兩種，可插入或拉出，最少可進行200萬次作業。相關介紹請見「 Aerco的直流供電螺線管適用於汽車電子產品」一文。 NS推出兩款高速度、低失真的差動放大器以及另外兩款高速度、低功率的12位元類比/數位轉換器，為訊號路徑提供一個高效能、高準確度及低功率的解決方案。NS的LMH6550及LMH6551放大器晶片是專為驅動全新12位元ADC12DL040及ADC12DL065等高速類比/數位轉換器而設計。你可在「 NS差動放大器可驅動12位元、65 Msps類比/數位轉換器」一文中得到進一步的介紹。 凌特發表可驅動高解析度類比數位轉換器(ADC)的最新全差動放大器LT1994。特別針對2.375V～12.6V的操作範圍而設計的LT1994，具有保證工作電壓最低至2.375V與軌對軌輸出的特色，能直接驅動2.5V～3V SAR ADC，而不須負向電源供應。在「 凌特發表新款全差動放大器」一文為你做了相關的評析。