摘要

大多數(shù)PC板安裝的繼電器是由微處理器或其他敏感的電子設(shè)備。一個(gè)成功的線圈驅(qū)動(dòng)電路需要在繼電器和微處理器電路之間的隔離。有效的驅(qū)動(dòng)電路必須考慮到驅(qū)動(dòng)電流和電壓要求，以及有效抑制可能破壞微處理器電路的L di/dt瞬變。雖然過度設(shè)計(jì)一個(gè)有效的驅(qū)動(dòng)電路，但今天的設(shè)計(jì)必須具有成本競(jìng)爭(zhēng)力。將單片集成IC驅(qū)動(dòng)設(shè)備集成到繼電器中將為系統(tǒng)設(shè)計(jì)者提供重要價(jià)值。

本文介紹了集成繼電器驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，將敏感電子器件與機(jī)械繼電器接口，以實(shí)現(xiàn)不同的控制/功率功能。重要的好處，如PC板空間節(jié)省和組件數(shù)量減少也被解釋。

介紹

盡管電子工業(yè)的進(jìn)步日益增加，機(jī)械繼電器仍然廣泛應(yīng)用于工業(yè)和汽車應(yīng)用，以控制高電流負(fù)載。它們的低成本和優(yōu)良的容錯(cuò)能力使繼電器成為工業(yè)和汽車應(yīng)用環(huán)境中有用和可靠的解決方案。由ON半導(dǎo)體公司提供的集成繼電器驅(qū)動(dòng)裝置NUD3105、NUD3112和NUD3124被認(rèn)為是控制工業(yè)和汽車應(yīng)用中使用的機(jī)械繼電器的理想裝置解決方案。他們的集成設(shè)計(jì)允許顯著簡(jiǎn)化和降低取代傳統(tǒng)的離散解決方案，如雙極晶體極管和自由旋轉(zhuǎn)二極管的成本。

工業(yè)和汽車領(lǐng)域的應(yīng)用要求

工業(yè)和汽車應(yīng)用的設(shè)備要求是不同的，必須以不同的方式來解決。雖然汽車應(yīng)用的要求是最難以遵守的，但工業(yè)要求傳統(tǒng)上允許更多的緯度。繼電器線圈電流因應(yīng)用情況而有很大的不同。最大的類別的工業(yè)和汽車?yán)^電器有線圈與當(dāng)前消耗在50到150 mA。

要選擇一個(gè)合適的繼電器驅(qū)動(dòng)器，就需要對(duì)許多約束條件進(jìn)行評(píng)估。對(duì)于汽車應(yīng)用，必須特別注意以下要求：負(fù)荷卸料箱(80 V、300 ms)、雙電壓跳轉(zhuǎn)起動(dòng)器(24 V或以上) 、反向電池(?14V，1分鐘或更多)、ESD免疫力(根據(jù)AEC?Q100規(guī)范)、工作環(huán)境溫度(?值為40.C至85.C) 。

滿足這些汽車要求通常會(huì)導(dǎo)致指定一個(gè)超大尺寸和非成本效益的繼電器驅(qū)動(dòng)器，或一個(gè)需要許多保護(hù)組件。

另一方面，工業(yè)應(yīng)用與標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用沒有多少不同的要求，如ESD免疫(通常是2.0 kV HBM)和給定的工作環(huán)境溫度范圍(通常在0.C到85.C之間)。然而，一些應(yīng)用程序也要求使用保護(hù)設(shè)備來對(duì)抗瞬態(tài)電壓條件，這也造成了需要額外的保護(hù)組件。

標(biāo)準(zhǔn)離散繼電器驅(qū)動(dòng)器

對(duì)于工業(yè)和汽車兩種類型的應(yīng)用，最傳統(tǒng)和最流行的繼電器驅(qū)動(dòng)器是由一個(gè)雙極晶體管、兩個(gè)偏置電阻和一個(gè)自由旋轉(zhuǎn)的二極管離散形成的驅(qū)動(dòng)器。在某些情況下，需要添加額外的組件，如mov(金屬氧化物變體電阻器)和額外的二極管，以確保適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)。圖1顯示了一個(gè)典型的離散繼電器驅(qū)動(dòng)器。二極管D1提供反向電源保護(hù)，二極管D2提供鉗位功能，以抑制在關(guān)閉交互作用期間由繼電器的線圈產(chǎn)生的電壓峰值(V = Ldi/dt)。功率MOV器件用于限制正瞬態(tài)瞬變?cè)陔p極晶體管的擊穿電壓內(nèi)。

雙極晶體管的飽和電壓(通常超過1.0 V)會(huì)導(dǎo)致高功耗，這在某些情況下消除了使用廉價(jià)的表面安裝封裝設(shè)備，如SOT?23或更小的選擇，因此總是需要更大的封裝，如TO220。由此產(chǎn)生的離散電路是昂貴的，因?yàn)樗枰獛讉€(gè)組件和一個(gè)很大的空間在PC板。

圖1。典型離散繼電器驅(qū)動(dòng)器

工業(yè)版本

圖2描述了工業(yè)繼電器驅(qū)動(dòng)程序版本(設(shè)備NUD3105、NUD3112)。該設(shè)備在單個(gè)?SOT23中集成了幾個(gè)離散組件，以實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)的離散繼電器驅(qū)動(dòng)器更簡(jiǎn)單、更有效的解決方案。集成設(shè)備的特點(diǎn)如下：N通道場(chǎng)效應(yīng)晶體管40 V，500 mAESD保護(hù)齊納二極管(7。0 V)偏置電阻(柵中為1.0kQ，柵和源之間為300kQ)夾緊保護(hù)齊納二極管(5.0V繼電器線圈為7.0V，12 V線圈為14V)

圖2。工業(yè)繼電器驅(qū)動(dòng)器的說明(NUD3105和NUD3112設(shè)備)

40Vn通道場(chǎng)效應(yīng)晶體管的設(shè)計(jì)用于開關(guān)繼電器的線圈的電流高達(dá)500 mA。夾緊保護(hù)齊納二極管(14 V)提供了鉗夾功能，以抑制在關(guān)斷?相互作用期間由繼電器線圈產(chǎn)生的電壓峰值(V = Ldi/dt)。ESD保護(hù)齊納二極管保護(hù)柵極-源硅結(jié)在操作或組裝設(shè)備過程中可能引起的ESD條件。并且偏置電阻向FET提供驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。

圖3顯示了NUD3105/NUD3112設(shè)備的典型連接圖：

圖3。典型連接圖(NUD3105 5.0 V繼電器線圈和NUD3112用于12 V)

當(dāng)正邏輯電壓施加到設(shè)備的柵極(5.0 V/3.3 V)時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)晶體管打開，激活繼電器。當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)晶體管被關(guān)閉時(shí)，繼電器的線圈被停用，這導(dǎo)致它的回扣并產(chǎn)生一個(gè)高電壓尖峰，這個(gè)電壓尖峰被放置在場(chǎng)效應(yīng)晶體管上的鉗位齊納二極管所抑制。對(duì)繼電器驅(qū)動(dòng)器的所有開關(guān)操作都重復(fù)此操作順序。圖4顯示了NUD3112繼電器驅(qū)動(dòng)器在控制OMRON繼電器(G8TB?1A?64)時(shí)產(chǎn)生的電壓和電流波形。

該繼電器具有以下線圈特性：L = 46 mH，Rdc = 100 Q。繼電器承受12 V電源電壓的電流為120 mA。.0集成的場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有典型的導(dǎo)通電阻為1Q，因此FET產(chǎn)生的功耗約為15mW (P =I2R)，在25°C的環(huán)境溫度下。在120 mA的電流下，它導(dǎo)致的開啟電壓降僅為125 mV。

圖4。驅(qū)動(dòng)OMRON繼電器G8TB?1A?64時(shí)在NUD3112設(shè)備上產(chǎn)生的痕跡

根據(jù)繼電器線圈的規(guī)格，利用公式E=?L I2可以從理論上計(jì)算出其傳遞到驅(qū)動(dòng)器上的能量，結(jié)果為0.331mJ。NUD3105和NUD3112器件的雪崩能量能力為50 mJ，因此由OMRON繼電器傳輸?shù)?.331 mJ僅代表其能量能力的0.65%。同樣的理論原理(E =?L I2)也可以用來找出NUD3105和NUD3112設(shè)備可以驅(qū)動(dòng)的繼電器線圈的類型。為了達(dá)到這些目的，人們需要了解繼電器線圈的電感和電流特性，以計(jì)算將被傳輸?shù)哪芰俊Ｋa(chǎn)生的能量不應(yīng)超過器件額定值時(shí)的50 mJ。

汽車版本

圖5描述了汽車?yán)^電器驅(qū)動(dòng)器版本(設(shè)備NUD3124)。該設(shè)備還集成了單個(gè)SOT?23三鉛表面安裝包中的幾個(gè)離散組件，以實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)的離散中繼器驅(qū)動(dòng)程序更簡(jiǎn)單、甚至更魯棒的解決方案。

集成設(shè)備的特點(diǎn)如下：N通道場(chǎng)效應(yīng)晶體管40 V，150 mA 、ESD保護(hù)齊納二極管(14 V)、

偏置電阻器(柵極中為10kQ，柵極和源極之間為100kQ)、夾緊保護(hù)齊納二極管(28 V)作為主動(dòng)夾緊功能執(zhí)行。

圖5。汽車?yán)^電器驅(qū)動(dòng)器的描述(NUD3124設(shè)備)

40Vn通道場(chǎng)效應(yīng)晶體管的設(shè)計(jì)是用來開關(guān)繼電器的電流高達(dá)200 mA的線圈。夾緊保護(hù)齊納二極管(28 V)提供主動(dòng)夾緊功能，在關(guān)閉相互作用期間排出繼電器線圈產(chǎn)生的電壓峰值(V = Ldi/dt)。該功能是通過在鉗位齊納二極管上的電壓達(dá)到其擊穿電壓水平(28 V)時(shí)，通過鉗位齊納二極管部分激活FET來實(shí)現(xiàn)的。ESD保護(hù)齊納二極管保護(hù)柵極-源極硅結(jié)不受人員在處理或組裝過程中可能引起的ESD條件。并且偏置電阻向FET提供驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。圖6顯示了NUD3124設(shè)備的典型連接圖。

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圖6。汽車?yán)^電器驅(qū)動(dòng)器的典型連接圖(NUD3124裝置)

當(dāng)正邏輯電壓施加到設(shè)備的柵極(5.0 V/3.3 V)時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)晶體管打開，激活繼電器。當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)晶體管被關(guān)閉時(shí)，繼電器的線圈被停用，這導(dǎo)致它回流并產(chǎn)生一個(gè)高壓尖峰。該電壓峰值導(dǎo)致鉗位齊納二極管(28 V)擊穿，從而部分激活場(chǎng)效應(yīng)晶體管，將此條件排空至接地。對(duì)繼電器驅(qū)動(dòng)器的所有開關(guān)操作都重復(fù)此操作順序。

圖7顯示了NUD3124繼電器驅(qū)動(dòng)器在控制OMRON繼電器(G8TB?1A?64)時(shí)產(chǎn)生的電壓和電流波形。該繼電器具有以下線圈特性： L = 46 mH，Rdc = 100 Q。OMRON繼電器承受12 V電源電壓的電流為120 mA。集成的場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有典型的導(dǎo)通電阻為1.0 Q，因此FET產(chǎn)生的功耗約為15 mW (P = I 2R)，在25°C的環(huán)境溫度下。在120 mA電流下，接通?的電壓降僅為125 mV。

圖7。產(chǎn)生的波形當(dāng)驅(qū)動(dòng)OMRON繼電器時(shí)，NUD3124G8TB?1A?64

與NUD3105和NUD3112設(shè)備(工業(yè)版本)不同，NUD3124設(shè)備(汽車版本)的獨(dú)特設(shè)計(jì)提供了主動(dòng)鉗夾功能，允許更高的反向雪崩能量能力。

圖8。在浪涌測(cè)試期間，通過NUD3124設(shè)備產(chǎn)生的波形

當(dāng)瞬態(tài)電壓條件超過鉗位齊納二極管(28 V)的擊穿電壓時(shí)，激活場(chǎng)效應(yīng)晶體管。NUD3124器件的能量能力通常為350 mJ。圖8顯示了一個(gè)示波器圖像的沖擊測(cè)試時(shí)，以尋找其最大的反向雪崩能量能力。

該裝置的高反向雪崩能量能力(350 mJ)允許控制在汽車應(yīng)用中使用的大多數(shù)繼電器，因?yàn)樗鼈兊木€圈通常在50 mA和150 mA之間，電感值低于1 Henry。這些類型的線圈不會(huì)將高水平的能量轉(zhuǎn)移到NUD3124設(shè)備(E =?L I2)，因此每一個(gè)都可以用相同的設(shè)備(NUD3124)進(jìn)行控制。當(dāng)使用通用繼電器驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品來控制特定應(yīng)用電路中使用的大部分繼電器時(shí)，可以獲得較大的優(yōu)勢(shì)。節(jié)省了PC板空間，優(yōu)化了電路設(shè)計(jì)。此外，還簡(jiǎn)化了組件數(shù)量的采購操作。

NUD3124裝置的主動(dòng)鉗位特性還允許它符合汽車對(duì)負(fù)載轉(zhuǎn)儲(chǔ)和汽車規(guī)范要求的其他電壓瞬變的要求。重充電時(shí)蓄電池連接故障時(shí)，車輛交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生負(fù)載傾倒瞬態(tài)。當(dāng)繼電器打開或關(guān)閉時(shí)，這些類型的瞬變過程可能會(huì)發(fā)生。盡管不同供應(yīng)商對(duì)汽車負(fù)載傾卸的需求有所不同，但據(jù)了解，大部分負(fù)載傾卸需求可以維持60 V、350 ms的負(fù)載傾卸瞬態(tài)。圖9顯示了60V和350ms持續(xù)時(shí)間的負(fù)荷轉(zhuǎn)儲(chǔ)瞬態(tài)。

圖9。負(fù)載轉(zhuǎn)儲(chǔ)瞬態(tài)波形(60 V, 350 ms).

示波器圖(圖9)中所示的73 V波形是由60 V負(fù)載卸載瞬態(tài)加上車輛的電池電壓(13 V)產(chǎn)生的。在應(yīng)用領(lǐng)域中，繼電器驅(qū)動(dòng)器(NUD3124)總是連接到繼電器，因此，如果發(fā)生負(fù)載轉(zhuǎn)儲(chǔ)條件，電流受到繼電器的線圈電阻的限制，這減少了繼電器驅(qū)動(dòng)器(NUD3124)需要排放到地面的能量量。圖10顯示了NUD3124設(shè)備在負(fù)載轉(zhuǎn)儲(chǔ)瞬態(tài)時(shí)產(chǎn)生的波形的示波器圖像。在這種情況下，該設(shè)備正在控制一個(gè)OMRON繼電器(G8TB? 1A?64)對(duì)汽車瞬變的最緊張和最積極的要求是負(fù)荷傾倒。

因此，如果一個(gè)設(shè)備能夠滿足這一要求，就可以保證它將維持所有其他侵略性較低的瞬態(tài)，如240 V(10Q源阻抗)，350仍s持續(xù)時(shí)間類型。除了符合負(fù)載傾倒瞬態(tài)要求和所有其他較小的汽車瞬態(tài)要求，NUD3124設(shè)備還符合其他汽車要求，如反向電池(?14V，1分鐘或以上)和雙電壓跳轉(zhuǎn)啟動(dòng)(24 V ±10%)

如果發(fā)生反向電池條件，它將導(dǎo)致場(chǎng)效應(yīng)晶體管的身體二極管向前偏置，從而傳導(dǎo)。在這種情況下，電流將被繼電器的線圈電阻限制到一個(gè)安全的水平，導(dǎo)致繼電器通電。使用傳統(tǒng)的離散方法，由于從反向連接的電池通過驅(qū)動(dòng)器到邏輯輸出的可能的電流路徑，控制邏輯電路可能會(huì)發(fā)生損壞。當(dāng)使用NUD3124設(shè)備時(shí)，這種可能性。

如果使用雙電壓跳轉(zhuǎn)啟動(dòng)(24 V或更多)，NUD3124設(shè)備將保持其關(guān)閉狀態(tài)，因此繼電器也將如此。這是雙電壓跳轉(zhuǎn)啟動(dòng)條件下的理想運(yùn)行，否則繼電器將被激活，并可能在其控制的設(shè)備或功能(窗戶、座椅等)中造成嚴(yán)重的運(yùn)行問題。

繼電器模塊

繼電器驅(qū)動(dòng)裝置(NUD3105、NUD3112和NUD3124)如果它們集成在繼電器本體內(nèi)，創(chuàng)建可以直接從邏輯電路驅(qū)動(dòng)的繼電器模塊，其優(yōu)點(diǎn)就更加獨(dú)特和有用。其優(yōu)點(diǎn)是：不需要外部驅(qū)動(dòng)程序設(shè)備、PC板空間減少、減少插入操作、面向低成本的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

所有以前的優(yōu)點(diǎn)將導(dǎo)致降低工業(yè)和需要機(jī)械繼電器的汽車應(yīng)用的成本。圖10以圖形化的方式描述了繼電器模塊的設(shè)計(jì)。一些繼電器制造商已經(jīng)集成了一個(gè)二極管與繼電器的線圈并聯(lián)，以簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路。其他人則正在考慮開發(fā)繼電器模塊的概念。該繼電器制造商的主要目標(biāo)是為其客戶提供更多的附加值，以優(yōu)化設(shè)計(jì)和降低成本。

圖10。在負(fù)荷載瞬態(tài)期間通過NUD3124設(shè)備產(chǎn)生的波形

圖11。由NUD3124裝置在繼電器本體內(nèi)的集成而形成的繼電器模塊

總結(jié)

傳統(tǒng)的離散繼電器驅(qū)動(dòng)器方法(雙極晶體管、偏置電阻和自由旋轉(zhuǎn)二極管)是昂貴的，因?yàn)樗枰獛讉€(gè)組件和在PC板上有很大的空間。在某些情況下，它需要額外的保護(hù)組件來在汽車和一些工業(yè)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)墓δ堋?/p>

提供的NUD3105和NUD3112中繼驅(qū)動(dòng)裝置通過一個(gè)單片工藝集成所有必要的組件，取代了傳統(tǒng)的離散中繼驅(qū)動(dòng)裝置方法。他們的集成設(shè)計(jì)是包裝在一個(gè)小的三鉛表面安裝SOT?23包，允許最佳操作與減少PC板空間，從而節(jié)省成本從制造和組件計(jì)數(shù)立場(chǎng) 。

NUD3124設(shè)備適用于汽車應(yīng)用。完全滿足卸負(fù)荷、反向電池、雙電壓跳動(dòng)、ESD等主要汽車要求。其獨(dú)特的主動(dòng)鉗設(shè)計(jì)使該設(shè)備成為一個(gè)強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)汽車應(yīng)用。它也被包裝在一個(gè)小的三鉛表面安裝SOT?23包，允許最佳的操作與減少PC板空間，以降低成本。該繼電器模塊代表了工業(yè)和汽車?yán)^電器市場(chǎng)的重大利益。減少PC板空間，優(yōu)化電路設(shè)計(jì)。這些好處為客戶帶來了顯著的增值和成本降低。像這樣的優(yōu)勢(shì)總是有溢價(jià)的。

審核編輯：湯梓紅