集成中继电感工业负载驱动程序和汽车应用程序

摘要

大多数PC板安装的继电器是由微处理器或其他敏感的电子设备。一个成功的线圈驱动电路需要在继电器和微处理器电路之间的隔离。有效的驱动电路必须考虑到驱动电流和电压要求，以及有效抑制可能破坏微处理器电路的L di/dt瞬变。虽然过度设计一个有效的驱动电路，但今天的设计必须具有成本竞争力。将单片集成IC驱动设备集成到继电器中将为系统设计者提供重要价值。

本文介绍了集成继电器驱动产品，将敏感电子器件与机械继电器接口，以实现不同的控制/功率功能。重要的好处，如PC板空间节省和组件数量减少也被解释。

介绍

尽管电子工业的进步日益增加，机械继电器仍然广泛应用于工业和汽车应用，以控制高电流负载。它们的低成本和优良的容错能力使继电器成为工业和汽车应用环境中有用和可靠的解决方案。由ON半导体公司提供的集成继电器驱动装置NUD3105、NUD3112和NUD3124被认为是控制工业和汽车应用中使用的机械继电器的理想装置解决方案。他们的集成设计允许显著简化和降低取代传统的离散解决方案，如双极晶体极管和自由旋转二极管的成本。

工业和汽车领域的应用要求

工业和汽车应用的设备要求是不同的，必须以不同的方式来解决。虽然汽车应用的要求是最难以遵守的，但工业要求传统上允许更多的纬度。继电器线圈电流因应用情况而有很大的不同。最大的类别的工业和汽车继电器有线圈与当前消耗在50到150 mA。

要选择一个合适的继电器驱动器，就需要对许多约束条件进行评估。对于汽车应用，必须特别注意以下要求：负荷卸料箱(80 V、300 ms)、双电压跳转起动器(24 V或以上) 、反向电池(−14V，1分钟或更多)、ESD免疫力(根据AEC−Q100规范)、工作环境温度(−值为40.C至85.C) 。

满足这些汽车要求通常会导致指定一个超大尺寸和非成本效益的继电器驱动器，或一个需要许多保护组件。

另一方面，工业应用与标准应用没有多少不同的要求，如ESD免疫(通常是2.0 kV HBM)和给定的工作环境温度范围(通常在0.C到85.C之间)。然而，一些应用程序也要求使用保护设备来对抗瞬态电压条件，这也造成了需要额外的保护组件。

标准离散继电器驱动器

对于工业和汽车两种类型的应用，最传统和最流行的继电器驱动器是由一个双极晶体管、两个偏置电阻和一个自由旋转的二极管离散形成的驱动器。在某些情况下，需要添加额外的组件，如mov(金属氧化物变体电阻器)和额外的二极管，以确保适当的保护。图1显示了一个典型的离散继电器驱动器。二极管D1提供反向电源保护，二极管D2提供钳位功能，以抑制在关闭交互作用期间由继电器的线圈产生的电压峰值(V = Ldi/dt)。功率MOV器件用于限制正瞬态瞬变在双极晶体管的击穿电压内。

双极晶体管的饱和电压(通常超过1.0 V)会导致高功耗，这在某些情况下消除了使用廉价的表面安装封装设备，如SOT−23或更小的选择，因此总是需要更大的封装，如TO220。由此产生的离散电路是昂贵的，因为它需要几个组件和一个很大的空间在PC板。

图1。典型离散继电器驱动器

工业版本

图2描述了工业继电器驱动程序版本(设备NUD3105、NUD3112)。该设备在单个−SOT23中集成了几个离散组件，以实现比传统的离散继电器驱动器更简单、更有效的解决方案。集成设备的特点如下：N通道场效应晶体管40 V，500 mAESD保护齐纳二极管(7。0 V)偏置电阻(栅中为1.0kQ，栅和源之间为300kQ)夹紧保护齐纳二极管(5.0V继电器线圈为7.0V，12 V线圈为14V)

图2。工业继电器驱动器的说明(NUD3105和NUD3112设备)

40Vn通道场效应晶体管的设计用于开关继电器的线圈的电流高达500 mA。夹紧保护齐纳二极管(14 V)提供了钳夹功能，以抑制在关断−相互作用期间由继电器线圈产生的电压峰值(V = Ldi/dt)。ESD保护齐纳二极管保护栅极-源硅结在操作或组装设备过程中可能引起的ESD条件。并且偏置电阻向FET提供驱动控制信号。

图3显示了NUD3105/NUD3112设备的典型连接图：

图3。典型连接图(NUD3105 5.0 V继电器线圈和NUD3112用于12 V)

当正逻辑电压施加到设备的栅极(5.0 V/3.3 V)时，场效应晶体管打开，激活继电器。当场效应晶体管被关闭时，继电器的线圈被停用，这导致它的回扣并产生一个高电压尖峰，这个电压尖峰被放置在场效应晶体管上的钳位齐纳二极管所抑制。对继电器驱动器的所有开关操作都重复此操作顺序。图4显示了NUD3112继电器驱动器在控制OMRON继电器(G8TB−1A−64)时产生的电压和电流波形。

该继电器具有以下线圈特性：L = 46 mH，Rdc = 100 Q。继电器承受12 V电源电压的电流为120 mA。.0集成的场效应晶体管具有典型的导通电阻为1Q，因此FET产生的功耗约为15mW (P =I2R)，在25°C的环境温度下。在120 mA的电流下，它导致的开启电压降仅为125 mV。

图4。驱动OMRON继电器G8TB−1A−64时在NUD3112设备上产生的痕迹

根据继电器线圈的规格，利用公式E=½L I2可以从理论上计算出其传递到驱动器上的能量，结果为0.331mJ。NUD3105和NUD3112器件的雪崩能量能力为50 mJ，因此由OMRON继电器传输的0.331 mJ仅代表其能量能力的0.65%。同样的理论原理(E =½L I2)也可以用来找出NUD3105和NUD3112设备可以驱动的继电器线圈的类型。为了达到这些目的，人们需要了解继电器线圈的电感和电流特性，以计算将被传输的能量。所产生的能量不应超过器件额定值时的50 mJ。

汽车版本

图5描述了汽车继电器驱动器版本(设备NUD3124)。该设备还集成了单个SOT−23三铅表面安装包中的几个离散组件，以实现比传统的离散中继器驱动程序更简单、甚至更鲁棒的解决方案。

集成设备的特点如下：N通道场效应晶体管40 V，150 mA 、ESD保护齐纳二极管(14 V)、

偏置电阻器(栅极中为10kQ，栅极和源极之间为100kQ)、夹紧保护齐纳二极管(28 V)作为主动夹紧功能执行。

图5。汽车继电器驱动器的描述(NUD3124设备)

40Vn通道场效应晶体管的设计是用来开关继电器的电流高达200 mA的线圈。夹紧保护齐纳二极管(28 V)提供主动夹紧功能，在关闭相互作用期间排出继电器线圈产生的电压峰值(V = Ldi/dt)。该功能是通过在钳位齐纳二极管上的电压达到其击穿电压水平(28 V)时，通过钳位齐纳二极管部分激活FET来实现的。ESD保护齐纳二极管保护栅极-源极硅结不受人员在处理或组装过程中可能引起的ESD条件。并且偏置电阻向FET提供驱动控制信号。图6显示了NUD3124设备的典型连接图。

.

图6。汽车继电器驱动器的典型连接图(NUD3124装置)

当正逻辑电压施加到设备的栅极(5.0 V/3.3 V)时，场效应晶体管打开，激活继电器。当场效应晶体管被关闭时，继电器的线圈被停用，这导致它回流并产生一个高压尖峰。该电压峰值导致钳位齐纳二极管(28 V)击穿，从而部分激活场效应晶体管，将此条件排空至接地。对继电器驱动器的所有开关操作都重复此操作顺序。

图7显示了NUD3124继电器驱动器在控制OMRON继电器(G8TB−1A−64)时产生的电压和电流波形。该继电器具有以下线圈特性： L = 46 mH，Rdc = 100 Q。OMRON继电器承受12 V电源电压的电流为120 mA。集成的场效应晶体管具有典型的导通电阻为1.0 Q，因此FET产生的功耗约为15 mW (P = I 2R)，在25°C的环境温度下。在120 mA电流下，接通−的电压降仅为125 mV。

图7。产生的波形当驱动OMRON继电器时，NUD3124G8TB−1A−64

与NUD3105和NUD3112设备(工业版本)不同，NUD3124设备(汽车版本)的独特设计提供了主动钳夹功能，允许更高的反向雪崩能量能力。

图8。在浪涌测试期间，通过NUD3124设备产生的波形

当瞬态电压条件超过钳位齐纳二极管(28 V)的击穿电压时，激活场效应晶体管。NUD3124器件的能量能力通常为350 mJ。图8显示了一个示波器图像的冲击测试时，以寻找其最大的反向雪崩能量能力。

该装置的高反向雪崩能量能力(350 mJ)允许控制在汽车应用中使用的大多数继电器，因为它们的线圈通常在50 mA和150 mA之间，电感值低于1 Henry。这些类型的线圈不会将高水平的能量转移到NUD3124设备(E =½L I2)，因此每一个都可以用相同的设备(NUD3124)进行控制。当使用通用继电器驱动器产品来控制特定应用电路中使用的大部分继电器时，可以获得较大的优势。节省了PC板空间，优化了电路设计。此外，还简化了组件数量的采购操作。

NUD3124装置的主动钳位特性还允许它符合汽车对负载转储和汽车规范要求的其他电压瞬变的要求。重充电时蓄电池连接故障时，车辆交流发电机产生负载倾倒瞬态。当继电器打开或关闭时，这些类型的瞬变过程可能会发生。尽管不同供应商对汽车负载倾卸的需求有所不同，但据了解，大部分负载倾卸需求可以维持60 V、350 ms的负载倾卸瞬态。图9显示了60V和350ms持续时间的负荷转储瞬态。

图9。负载转储瞬态波形(60 V, 350 ms).

示波器图(图9)中所示的73 V波形是由60 V负载卸载瞬态加上车辆的电池电压(13 V)产生的。在应用领域中，继电器驱动器(NUD3124)总是连接到继电器，因此，如果发生负载转储条件，电流受到继电器的线圈电阻的限制，这减少了继电器驱动器(NUD3124)需要排放到地面的能量量。图10显示了NUD3124设备在负载转储瞬态时产生的波形的示波器图像。在这种情况下，该设备正在控制一个OMRON继电器(G8TB− 1A−64)对汽车瞬变的最紧张和最积极的要求是负荷倾倒。

因此，如果一个设备能够满足这一要求，就可以保证它将维持所有其他侵略性较低的瞬态，如240 V(10Q源阻抗)，350仍s持续时间类型。除了符合负载倾倒瞬态要求和所有其他较小的汽车瞬态要求，NUD3124设备还符合其他汽车要求，如反向电池(−14V，1分钟或以上)和双电压跳转启动(24 V ±10%)

如果发生反向电池条件，它将导致场效应晶体管的身体二极管向前偏置，从而传导。在这种情况下，电流将被继电器的线圈电阻限制到一个安全的水平，导致继电器通电。使用传统的离散方法，由于从反向连接的电池通过驱动器到逻辑输出的可能的电流路径，控制逻辑电路可能会发生损坏。当使用NUD3124设备时，这种可能性。

如果使用双电压跳转启动(24 V或更多)，NUD3124设备将保持其关闭状态，因此继电器也将如此。这是双电压跳转启动条件下的理想运行，否则继电器将被激活，并可能在其控制的设备或功能(窗户、座椅等)中造成严重的运行问题。

继电器模块

继电器驱动装置(NUD3105、NUD3112和NUD3124)如果它们集成在继电器本体内，创建可以直接从逻辑电路驱动的继电器模块，其优点就更加独特和有用。其优点是：不需要外部驱动程序设备、PC板空间减少、减少插入操作、面向低成本的优化设计。

所有以前的优点将导致降低工业和需要机械继电器的汽车应用的成本。图10以图形化的方式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二极管与继电器的线圈并联，以简化驱动电路。其他人则正在考虑开发继电器模块的概念。该继电器制造商的主要目标是为其客户提供更多的附加值，以优化设计和降低成本。

图10。在负荷载瞬态期间通过NUD3124设备产生的波形

图11。由NUD3124装置在继电器本体内的集成而形成的继电器模块

总结

传统的离散继电器驱动器方法(双极晶体管、偏置电阻和自由旋转二极管)是昂贵的，因为它需要几个组件和在PC板上有很大的空间。在某些情况下，它需要额外的保护组件来在汽车和一些工业应用中实现适当的功能。

提供的NUD3105和NUD3112中继驱动装置通过一个单片工艺集成所有必要的组件，取代了传统的离散中继驱动装置方法。他们的集成设计是包装在一个小的三铅表面安装SOT−23包，允许最佳操作与减少PC板空间，从而节省成本从制造和组件计数立场 。

NUD3124设备适用于汽车应用。完全满足卸负荷、反向电池、双电压跳动、ESD等主要汽车要求。其独特的主动钳设计使该设备成为一个强大的驱动汽车应用。它也被包装在一个小的三铅表面安装SOT−23包，允许最佳的操作与减少PC板空间，以降低成本。该继电器模块代表了工业和汽车继电器市场的重大利益。减少PC板空间，优化电路设计。这些好处为客户带来了显著的增值和成本降低。像这样的优势总是有溢价的。

审核编辑：汤梓红