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1、引言 盡管電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展日新月異，但是機械繼電器依然廣泛的用于工業(yè)和汽車應(yīng)用中，用來控制大電流負載。其低成本和優(yōu)異的抗故障能力使繼電器成為工業(yè)和汽車應(yīng)用環(huán)境中一種有用和可靠的解決方案。安森美半導(dǎo)體提供的集成式繼電器驅(qū)動器NUD3105、NUD3112、NUD3124、NUD3160被認為是對工業(yè)和汽車應(yīng)用中的控制機械繼電器的理想器件解決方案。其集成設(shè)計可以明顯的簡化設(shè)計并且降低成本，替代傳統(tǒng)的分立解決方案，如雙極型晶體管加續(xù)流二極管。 2、工業(yè)和汽車應(yīng)用的要求 工業(yè)應(yīng)用和汽車應(yīng)用的器件要求不同，必須用不同的方法解決。汽車應(yīng)用的要求是最難滿足的，而工業(yè)要求一般允許較多的自由。繼電器線圈電流根據(jù)應(yīng)用的不同差別很大。最大等級的工業(yè)和汽車?yán)^電器線圈的消耗電流在50～150mA之間。 選擇合適的繼電器驅(qū)動器需要考慮很多限制。對于汽車應(yīng)用，需要特別考慮以下要求： 負荷突降(80V，300msec) 雙電壓加壓啟動(>24V) 電池接反(-14V，1分鐘或以上) 抗靜電放電(ESD)(根據(jù)AEC-Q100規(guī)范) 工作環(huán)境溫度(-40℃～85℃) 為滿足這些要求通常導(dǎo)致繼電器驅(qū)動器體積過大、成本過高，或者需要許多保護元件。 另一方面，工業(yè)應(yīng)用的要求有許多和標(biāo)準(zhǔn)的要求一樣，如抗ESD(通常為2kVHBM)，以及給定的工作環(huán)境溫度范圍(通常在0℃～85℃之間)。但是，一些應(yīng)用也需要有防止瞬態(tài)電壓的保護元件，這就需要增加額外的保護元件。 3、標(biāo)準(zhǔn)的分立式繼電器驅(qū)動器 對于工業(yè)和汽車應(yīng)用，傳統(tǒng)和最常見的繼電器驅(qū)動器是用一個雙極型晶體管、兩個偏置電阻和一個續(xù)流二極管的分立設(shè)計。在某些情況下，需要增加額外的元件，如MOV(金屬氧化物變阻器)和額外的二極管來確保適當(dāng)?shù)谋Ｗo。圖1顯示了一個典型的有額外保護元件的分立繼電器驅(qū)動器。二級管D1提供了反向電源保護，而二極管D2抑制了繼電器線圈斷開時(V=Ldi/dt)產(chǎn)生的電壓尖峰。功率MOV器件用于將正向瞬態(tài)電壓限制在雙極型晶體管的擊穿電壓以內(nèi)。雙極型晶體管的飽和電壓(典型為1V以上)引起高功率耗散，在某些情況下不能使用廉價的貼片封裝器件，如SOT-23或更小的，因此需要更大的封裝，如TO220。由于需要幾個元件而使所設(shè)計的分立電路價格昂貴，且要占用較大的電路板空間。
圖1 |
4、安森美半導(dǎo)體的繼電器驅(qū)動器
安森美半導(dǎo)體的繼電器驅(qū)動器產(chǎn)品分為兩個主要的類別：工業(yè)版本(器件NUD3105，NUD3112)和汽車版本(器件NUD3124，NUD3160)。
4.1 工業(yè)版本
圖2
圖2說明了工業(yè)繼電器驅(qū)動器版本(器件NUD3105，NUD3112)。此器件把幾個分立元件集成到單個SOT-23三引腳貼片封裝中，構(gòu)成比傳統(tǒng)的分立繼電器驅(qū)動器更簡單和更高效的解決方案。這些集成器件的特性如下：
N-溝道FET40V，500mA
ESD保護齊納二極管(7V)
偏置電阻(門極為1KΩ，門極和源極之間為300KΩ)
箝位保護齊納二極管(5V繼電器線圈為7V，12V線圈為14V)
40VN-溝道FET用于轉(zhuǎn)換繼電器線圈中高達500mA的電流。箝位保護齊納二極管(14V)提供箝位功能，以抑制在線圈斷開時(V=Ldi/dt)產(chǎn)生的電壓尖峰。ESD保護齊納二極管保護門-源硅結(jié)，防止其在器件傳遞或組裝過程中可能由人體感應(yīng)引起的ESD造成損壞。偏置電阻為FET提供驅(qū)動控制信號。圖3描述了NUD3105/NUD3112器件的典型連接圖。
圖3
當(dāng)正向邏輯電壓施加到器件的門極時(5V/3.3V)，F(xiàn)ET導(dǎo)通，啟動繼電器。當(dāng)FET截止時，繼電器線圈停止，使它反激并產(chǎn)生一個高電壓尖峰，這個電壓尖峰被接在FET上的箝位齊納二極管所抑制。這個工作序列在繼電器驅(qū)動器的所有開和關(guān)的操作中重復(fù)。圖4顯示了NUD3112繼電器驅(qū)動器控制OMRON繼電器(G8TB-1A-64)時產(chǎn)生的電壓和電流波形。此繼電器線圈有以下特性：L=46mH，Rdc=100Ω。繼電器從12V電源電壓所吸收的電流是120mA。集成FET典型的導(dǎo)通電阻是1Ω，因此在25℃的環(huán)境溫度時，F(xiàn)ET上產(chǎn)生的功耗大約為15mW(P=I2R)。其結(jié)果是導(dǎo)通壓降只有125mV，電流為120mA。
圖4
基于繼電器線圈參數(shù)，繼電器線圈傳輸?shù)津?qū)動器的能量可以用公式E=1/2LI2進行理論計算，結(jié)果是0.331mJ。NUD3105和NUD3112器件的雪崩能量容量是50mJ，所以O(shè)MRON繼電器傳輸?shù)?.331mJ只代表其0.65%的能量容量。相同的理論原理(E=1/2LI2)可以用于確定NUD3105和NUD3112器件可以驅(qū)動的繼電器線圈的類型。為此只需要知道繼電器線圈的電感和電流特性，來計算傳輸?shù)哪芰俊Ｓ嬎愠龅哪芰坎荒艹^器件的額定值50mJ。
4.2 汽車版本
圖5
圖5說明了繼電器驅(qū)動器版本(器件NUD3124，NUD3160)。這些元件把幾個分立器件集成到單個SOT-23三引腳貼片封裝中，以獲得比傳統(tǒng)的分立繼電器驅(qū)動器更簡單和更可靠的解決方案。集成進NUD3124的元件特性如下(NUD3160的設(shè)計相同，但是用于更高的電壓)：
N-溝道FET40V，200mA
ESD保護齊納二極管(14V)
偏置電阻(門極為10KΩ，門極和源極之間為100KΩ)
箝位保護齊納二極管(28V)作為有源箝位器
40VN-溝道FET用于轉(zhuǎn)換繼電器線圈中高達200mA的電流。箝位保護齊納二極管(28V)提供箝位功能，以抑制在線圈斷開時(V=Ldi/dt)產(chǎn)生的電壓尖峰。此功能可以在任何時候當(dāng)齊納二級管上的電壓達到其擊穿電壓電平(28V)時，通過箝位齊納二極管部分啟動FET來獲得。ESD保護齊納二極管保護門-源硅結(jié)，防止其在器件傳遞或組裝過程中可能由人體感應(yīng)引起的ESD造成損壞。偏置電阻為FET提供驅(qū)動控制信號。圖6繪出了NUD3124器件的典型連接框圖。
圖6
當(dāng)正向邏輯電壓施加到器件的門極時(5V/3.3V)，F(xiàn)ET導(dǎo)通，啟動繼電器。當(dāng)FET截止時，繼電器線圈停止，使它反激并產(chǎn)生一個高電壓尖峰，此電壓尖峰引起箝位齊納二極管(28V)擊穿，導(dǎo)致FET部分啟動而使該能量釋放到地。這個工作序列在繼電器驅(qū)動器的所有通和斷的操作中重復(fù)。圖7顯示了NUD3124繼電器驅(qū)動器控制OMRON繼電器(G8TB-1A-64)時產(chǎn)生的電壓和電流波形。此繼電器線圈有以下特性：L=46mH，Rdc=100Ω。繼電器從12V電源電壓所吸收的電流是120mA。集成FET典型的導(dǎo)通電阻是1Ω，因此在25℃的環(huán)境溫度時，F(xiàn)ET上產(chǎn)生的功耗大約為15mW(P=I2R)。結(jié)果是電流為120mA時的導(dǎo)通壓降只有125mV。
圖7
與NUD3105和NUD3112器件(工業(yè)版本)不同，NUD3124器件(汽車版本)的獨特設(shè)計提供了有源箝位特性，通過在任何瞬間電壓情況超過箝位齊納二極管擊穿電壓(28V)的時候觸發(fā)FET，允許更高的反向雪崩能量容量。NUD3124器件的能量容量一般為350mJ。圖8顯示了施加到器件上的浪涌測試示波器圖，由它可以測出最大的反向雪崩能量容量。
圖8
此器件的高反向雪崩能量容量(350mJ)可以控制大多數(shù)用于汽車應(yīng)用的繼電器，因為它們的線圈電流一般在50mA到150mA之間，電感值低于1亨。這類線圈不會向NUD3124元件傳輸高等級的能量(E=1/2LI2)，因此每個都可以用相同的元件(NUD3124)控制。由于一般的繼電器驅(qū)動器用于控制大多數(shù)用于特殊應(yīng)用的電路中，采用集成式繼電器驅(qū)動器可以獲得巨大的優(yōu)勢。節(jié)約了印刷電路板面積并且優(yōu)化了電路設(shè)計。另外，也簡化了元件購買工作。
NUD3124器件的有源箝位特性也可使它能滿足負荷突降的汽車要求和汽車規(guī)格的其他電壓瞬變要求。當(dāng)大電流充電的電池接線斷時，汽車的交流發(fā)電機產(chǎn)生負荷突降瞬變。當(dāng)繼電器通或斷時，這類瞬變也會發(fā)生。盡管負荷突降的汽車要求隨著供應(yīng)商而改變，可以知道，大多數(shù)負荷突降要求可以由能夠承受350ms、60V負荷突降瞬變的器件滿足。
圖9中所示的73V波形來自60V的負荷突降瞬變加上汽車的電池電壓(13V)。在應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)，繼電器驅(qū)動器(NUD3124)總是連接到繼電器，因此如果負荷突降情況發(fā)生，電流被繼電器線圈電阻限制，這減少了需要由繼電器驅(qū)動器(NUD3124)排放到地的能量。
圖9
圖10顯示的示波圖為在負荷突降瞬變時在NUD3124器件上產(chǎn)生的波形。對于這種情況，器件控制一個線圈特性為L=48mH和Rdc=100Ω的OMRON繼電器(G8TB-1A-64)。流過驅(qū)動器的電流很小(大約為170mA)，因為它被繼電器線圈的電阻(100Ω)所限制。導(dǎo)致的能量大約為73mJ，這依然在NUD3124器件的雪崩能量容量(350mJ)以內(nèi)。在某些情況中，負荷突降瞬變甚至高達80V，但是NUD3124器件的可靠性也可以處理那些類型的負荷突降狀況。
圖10
汽車瞬變中最嚴(yán)格和最苛刻的要求是負荷突降。因此如果器件能夠滿足這個要求，它一定可以承受其他不太苛刻的瞬變，如240V(10Ω源阻抗)，350μs長度的瞬變。
除了滿足負荷突降要求和所有其他較小的汽車瞬變以外，NUD3124器件也符合其他汽車要求，如電池接反(-14V，1分鐘或以上)和雙電壓加壓啟動(24V+/-10%)。
如果電池接反情況發(fā)生，它會引起FET的體二極管正向偏置并導(dǎo)通。在這種情況下，電流被繼電器線圈阻抗限制為安全的電平，使繼電器動作。采用傳統(tǒng)的分立方法，因為反向連接的電池可能形成通過驅(qū)動器到邏輯輸出的電流路徑，而使控制邏輯電路損壞。使用NUD3124器件避免了這種可能性。
如果使用雙電壓加壓啟動(24V或以上)，NUD3124器件保持在截止?fàn)顟B(tài)，因此繼電器也不操作。在雙電壓加壓啟動情況下，這是一個理想的工作要求，否則繼電器會被啟動，并使受其控制的設(shè)備或功能(車窗、座椅等)發(fā)生嚴(yán)重的問題。
5、繼電器模塊
如果把安森美半導(dǎo)體的繼電器驅(qū)動器(NUD3105、NUD3112、NUD3124、NUD3160)集成到繼電器主體內(nèi)，構(gòu)成可以直接用邏輯電路驅(qū)動的繼電器模塊，將更加獨特和有用。優(yōu)點是：
不需要外部驅(qū)動設(shè)備
減小印刷電路板面積
減少插入操作
更低成本的優(yōu)化設(shè)計
所有以上的優(yōu)點降低了需要使用機械繼電器的工業(yè)和汽車應(yīng)用的成本。圖11描述了繼電器模塊的設(shè)計。一些繼電器制造商已經(jīng)集成了一個和繼電器線圈并聯(lián)的二極管，以簡化驅(qū)動器電路。其他廠商正在考慮開發(fā)繼電器模塊的理念。繼電器制造商的主要目標(biāo)是向他們的客戶提供更多的附加值，以優(yōu)化設(shè)計和削減成本。
圖11
6、小結(jié)
傳統(tǒng)的分立式繼電器驅(qū)動器方法（雙極型晶體管、偏置電阻和續(xù)流二極管）價格昂貴，因為它要使用幾個元件并在印刷電路板上占據(jù)大量的面積。在某些情況下，它需要額外的保護元件，才能在汽車和一些工業(yè)應(yīng)用中獲得合適的功能。
通過一個單片工藝集成所有所需的元件，安森美半導(dǎo)體提供的NUD3105和NUD3112繼電器驅(qū)動器替代了傳統(tǒng)的分立式繼電器驅(qū)動器方法。它們的集成設(shè)計封裝在一個小型的三引腳貼片SOT-23封裝中，允許用較小的印刷電路板獲得最優(yōu)工作，并在制造和元件數(shù)量方面節(jié)約了成本。
NUD3124和NUD3160器件的目的是汽車應(yīng)用。兩者都完全符合主要的汽車要求，如負荷突降、電池反接、雙電壓加壓啟動和ESD。它獨特的有源箝位設(shè)計使這個器件成為汽車應(yīng)用中的一個可靠的驅(qū)動器。它也封裝在一個小型三引腳貼片SOT-23封裝中，可以占用較小的印刷電路板面積和降低成本而獲得最優(yōu)的工作。
繼電器模塊為工業(yè)和汽車?yán)^電器市場帶來明顯的優(yōu)點。它減小了印刷電路板面積并優(yōu)化了電路設(shè)計。這些優(yōu)點為客戶帶來了巨大的附加值和削減成本。此類優(yōu)點總是帶來額外的收益。
（轉(zhuǎn)載）
