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汽车应用中的继电器驱动器

汽车应用中的继电器驱动器 2011年12月04日 来源： 摘要：大多数面板安装的继电器由微处理器或其他敏感的电子设备驱动。一个良好的线圈驱动电路要求在继电器和微处理器电路之间进行隔离。有效的驱动电路必须考虑到驱动电流和驱动电压的要求，以及有效的抑制Ldi/dt的瞬态过程，该瞬态会损坏微处理器电路。虽然现在很容易就可以设计一个复杂、有效的驱动电路，但是今天的设计必须突出成本效益。在继电器中装入单片的IC驱动器可以为系统设计师提供显著的价值。本文描述安森美半导体的集成式继电器驱动器产品的工作原理，它可以使敏感的电子设备和机械继电器连接，以获得不同的控制/功率功能。本文还介绍了该器件的一些优点，如节约印刷电路板面积和减少元件数量。关键词：汽车应用，继电器驱动器 1 引言 尽管电子产业的发展日新月异，但是机械继电器依然广泛的用于工业和汽车应用中，用来控制大电流负载。其低成本和优异的抗故障能力使继电器成为工业和汽车应用环境中一种有用和可靠的解决方案。安森美半导体提供的集成式继电器驱动器NUD3105、NUD3112、NUD3124、NUD3160被认为是对工业和汽车应用中的控制机械继电器的理想器件解决方案。其集成设计可以明显的简化设计并且降低成本，替代传统的分立解决方案，如双极型晶体管加续流二极管。 2 工业和汽车应用的要求 工业应用和汽车应用的器件要求不同，必须用不同的方法解决。汽车应用的要求是最难满足的，而工业要求一般允许较多的自由。继电器线圈电流根据应用的不同差别很大。最大等级的工业和汽车继电器线圈的消耗电流在50～150mA之间。 选择合适的继电器驱动器需要考虑很多限制。对于汽车应用，需要特别考虑以下要求： ●负荷突降(80V，300msec) ●双电压加压启动(>24V) ●电池接反(-14V，1分钟或以上) ●抗静电放电(ESD)(根据AEC-Q100规范) ●工作环境温度(-40℃～85℃) 为满足这些要求通常导致继电器驱动器体积过大、成本过高，或者需要许多保护元件。 另一方面，工业应用的要求有许多和标准的要求一样，如抗ESD(通常为2kVHBM)，以及给定的工作环境温度范围(通常在0℃～85℃之间)。但是，一些应用也需要有防止瞬态电压的保护元件，这就需要增加额外的保护元件。 3 标准的分立式继电器驱动器 对于工业和汽车应用，传统和最常见的继电器驱动器是用一个双极型晶体管、两个偏置电阻和一个续流二极管的分立设计。在某些情况下，需要增加额外的元件，如MOV(金属氧化物变阻器)和额外的二极管来确保适当的保护。图1显示了一个典型的有额外保护元件的分立继电器驱动器。二级管D1提供了反向电源保护，而二极管D2抑制了继电器线圈断开时(V=Ldi/dt)产生的电压尖峰。功率MOV器件用于将正向瞬态电压限制在双极型晶体管的击穿电压以内。双极型晶体管的饱和电压(典型为1V以上)引起高功率耗散，在某些情况下不能使用廉价的贴片封装器件，如SOT-23或更小的，因此需要更大的封装，如TO220。由于需要几个元件而使所设计的分立电路价格昂贵，且要占用较大的电路板空间。

4 安森美半导体的继电器驱动器 安森美半导体的继电器驱动器产品分为两个主要的类别：工业版本(器件NUD3105，NUD3112)和汽车版本(器件NUD3124，NUD3160)。 4.1 工业版本

图2说明了工业继电器驱动器版本(器件NUD3105，NUD3112)。此器件把几个分立元件集成到单个SOT-23三引脚贴片封装中，构成比传统的分立继电器驱动器更简单和更高效的解决方案。这些集成器件的特性如下： ●N-沟道FET40V，500mA ●ESD保护齐纳二极管(7V) ●偏置电阻(门极为1KΩ，门极和源极之间为300KΩ) ●箝位保护齐纳二极管(5V继电器线圈为7V，12V线圈为14V) 40VN-沟道FET用于转换继电器线圈中高达500mA的电流。箝位保护齐纳二极管(14V)提供箝位功能，以抑制在线圈断开时(V=Ldi/dt)产生的电压尖峰。ESD保护齐纳二极管保护门-源硅结，防止其在器件传递或组装过程中可能由人体感应引起的ESD造成损坏。偏置电阻为FET提供驱动控制信号。图3描述了NUD3105/NUD3112器件的典型连接图。

当正向逻辑电压施加到器件的门极时(5V/3.3V)，FET导通，启动继电器。当FET截止时，继电器线圈停止，使它反激并产生一个高电压尖峰，这个电压尖峰被接在FET上的箝位齐纳二极管所抑制。这个工作序列在继电器驱动器的所有开和关的操作中重复。图4显示了NUD3112继电器驱动器控制OMRON继电器(G8TB-1A-64)时产生的电压和电流波形。此继电器线圈有以下特性：L=46mH，Rdc=100Ω。继电器从12V电源电压所吸收的电流是120mA。集成FET典型的导通电阻是1Ω，因此在25℃的环境温度时，FET上产生的功耗大约为15mW(P=I2R)。其结果是导通压降只有125mV，电流为120mA。

基于继电器线圈参数，继电器线圈传输到驱动器的能量可以用公式E=1/2LI2进行理论计算，结果是0.331mJ。NUD3105和NUD3112器件的雪崩能量容量是50mJ，所以OMRON继电器传输的0.331mJ只代表其0.65%的能量容量。相同的理论原理(E=1/2LI2)可以用于确定NUD3105和NUD3112器件可以驱动的继电器线圈的类型。为此只需要知道继电器线圈的电感和电流特性，来计算传输的能量。计算出的能量不能超过器件的额定值50mJ。 4.2 汽车版本

图5说明了继电器驱动器版本(器件NUD3124，NUD3160)。这些元件把几个分立器件集成到单个SOT-23三引脚贴片封装中，以获得比传统的分立继电器驱动器更简单和更可靠的解决方案。集成进NUD3124的元件特性如下(NUD3160的设计相同，但是用于更高的电压)： ●N-沟道FET40V，200mA ●ESD保护齐纳二极管(14V) ●偏置电阻(门极为10KΩ，门极和源极之间为100KΩ) ●箝位保护齐纳二极管(28V)作为有源箝位器。 40VN-沟道FET用于转换继电器线圈中高达200mA的电流。箝位保护齐纳二极管(28V)提供箝位功能，以抑制在线圈断开时(V=Ldi/dt)产生的电压尖峰。此功能可以在任何时候当齐纳二级管上的电压达到其击穿电压电平(28V)时，通过箝位齐纳二极管部分启动FET来获得。ESD保护齐纳二极管保护门-源硅结，防止其在器件传递或组装过程中可能由人体感应引起的ESD造成损坏。偏置电阻为FET提供驱动控制信号。图6绘出了NUD3124器件的典型连接框图。

当正向逻辑电压施加到器件的门极时(5V/3.3V)，FET导通，启动继电器。当FET截止时，继电器线圈停止，使它反激并产生一个高电压尖峰，此电压尖峰引起箝位齐纳二极管(28V)击穿，导致FET部分启动而使该能量释放到地。这个工作序列在继电器驱动器的所有通和断的操作中重复。图7显示了NUD3124继电器驱动器控制OMRON继电器(G8TB-1A-64)时产生的电压和电流波形。此继电器线圈有以下特性：L=46mH，Rdc=100Ω。继电器从12V电源电压所吸收的电流是120mA。集成FET典型的导通电阻是1Ω，因此在25℃的环境温度时，FET上产生的功耗大约为15mW(P=I2R)。结果是电流为120mA时的导通压降只有125mV。

与NUD3105和NUD3112器件(工业版本)不同，NUD3124器件(汽车版本)的独特设计提供了有源箝位特性，通过在任何瞬间电压情况超过箝位齐纳二极管击穿电压(28V)的时候触发FET，允许更高的反向雪崩能量容量。NUD3124器件的能量容量一般为350mJ。图8显示了施加到器件上的浪涌测试示波器图，由它可以测出最大的反向雪崩能量容量。

此器件的高反向雪崩能量容量(350mJ)可以控制大多数用于汽车应用的继电器，因为它们的线圈电流一般在50mA到150mA之间，电感值低于1亨。这类线圈不会向NUD3124元件传输高等级的能量(E=1/2LI2)，因此每个都可以用相同的元件(NUD3124)控制。由于一般的继电器驱动器用于控制大多数用于特殊应用的电路中，采用集成式继电器驱动器可以获得巨大的优势。节约了印刷电路板面积并且优化了电路设计。另外，也简化了元件购买工作。 NUD3124器件的有源箝位特性也可使它能满足负荷突降的汽车要求和汽车规格的其他电压瞬变要求。当大电流充电的电池接线断时，汽车的交流发电机产生负荷突降瞬变。当继电器通或断时，这类瞬变也会发生。尽管负荷突降的汽车要求随着供应商而改变，可以知道，大多数负荷突降要求可以由能够承受350ms、60V负荷突降瞬变的器件满足。

图9中所示的73V波形来自60V的负荷突降瞬变加上汽车的电池电压(13V)。在应用领域内，继电器驱动器(NUD3124)总是连接到继电器，因此如果负荷突降情况发生，电流被继电器线圈电阻限制，这减少了需要由继电器驱动器(NUD3124)排放到地的能量。

图10显示的示波图为在负荷突降瞬变时在NUD3124器件上产生的波形。对于这种情况，器件控制一个线圈特性为L=48mH和Rdc=100Ω的OMRON继电器(G8TB-1A-64)。流过驱动器的电流很小(大约为170mA)，因为它被继电器线圈的电阻(100Ω)所限制。导致的能量大约为73mJ，这依然在NUD3124器件的雪崩能量容量(350mJ)以内。在某些情况中，负荷突降瞬变甚至高达80V，但是NUD3124器件的可靠性也可以处理那些类型的负荷突降状况。 汽车瞬变中最严格和最苛刻的要求是负荷突降。因此如果器件能够满足这个要求，它一定可以承受其他不太苛刻的瞬变，如240V(10Ω源阻抗)，350μs长度的瞬变。 除了满足负荷突降要求和所有其他较小的汽车瞬变以外，NUD3124器件也符合其他汽车要求，如电池接反(-14V，1分钟或以上)和双电压加压启动(24V+/-10%)。 如果电池接反情况发生，它会引起FET的体二极管正向偏置并导通。在这种情况下，电流被继电器线圈阻抗限制为安全的电平，使继电器动作。采用传统的分立方法，因为反向连接的电池可能形成通过驱动器到逻辑输出的电流路径，而使控制逻辑电路损坏。使用NUD3124器件避免了这种可能性。 如果使用双电压加压启动(24V或以上)，NUD3124器件保持在截止状态，因此继电器也不操作。在双电压加压启动情况下，这是一个理想的工作要求，否则继电器会被启动，并使受其控制的设备或功能(车窗、座椅等)发生严重的问题。 5 继电器模块 如果把安森美半导体的继电器驱动器(NUD3105、NUD3112、NUD3124、NUD3160)集成到继电器主体内，构成可以直接用逻辑电路驱动的继电器模块，将更加独特和有用。优点是： ●不需要外部驱动设备 ●减小印刷电路板面积 ●减少插入操作 ●更低成本的优化设计

所有以上的优点降低了需要使用机械继电器的工业和汽车应用的成本。图11描述了继电器模块的设计。一些继电器制造商已经集成了一个和继电器线圈并联的二极管，以简化驱动器电路。其他厂商正在考虑开发继电器模块的理念。继电器制造商的主要目标是向他们的客户提供更多的附加值，以优化设计和削减成本。 6 小结 传统的分立式继电器驱动器方法（双极型晶体管、偏置电阻和续流二极管）价格昂贵，因为它要使用几个元件并在印刷电路板上占据大量的面积。在某些情况下，它需要额外的保护元件，才能在汽车和一些工业应用中获得合适的功能。 通过一个单片工艺集成所有所需的元件，安森美半导体提供的NUD3105和NUD3112继电器驱动器替代了传统的分立式继电器驱动器方法。它们的集成设计封装在一个小型的三引脚贴片SOT-23封装中，允许用较小的印刷电路板获得最优工作，并在制造和元件数量方面节约了成本。 NUD3124和NUD3160器件的目的是汽车应用。两者都完全符合主要的汽车要求，如负荷突降、电池反接、双电压加压启动和ESD。它独特的有源箝位设计使这个器件成为汽车应用中的一个可靠的驱动器。它也封装在一个小型三引脚贴片SOT-23封装中，可以占用较小的印刷电路板面积和降低成本而获得最优的工作。 继电器模块为工业和汽车继电器市场带来明显的优点。它减小了印刷电路板面积并优化了电路设计。这些优点为客户带来了巨大的附加值和削减成本。此类优点总是带来额外的收益。 参考文献： 1ONSemiconductorwebsite>

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