摘要

大多數PC板安裝的繼電器是由微處理器或其他敏感的電子設備。一個成功的線圈驅動電路需要在繼電器和微處理器電路之間的隔離。有效的驅動電路必須考慮到驅動電流和電壓要求，以及有效抑制可能破壞微處理器電路的L di/dt瞬變。雖然過度設計一個有效的驅動電路，但今天的設計必須具有成本競爭力。將單片集成IC驅動設備集成到繼電器中將為系統設計者提供重要價值。

本文介紹了集成繼電器驅動產品，將敏感電子器件與機械繼電器接口，以實現不同的控制/功率功能。重要的好處，如PC板空間節省和組件數量減少也被解釋。

介紹

盡管電子工業的進步日益增加，機械繼電器仍然廣泛應用于工業和汽車應用，以控制高電流負載。它們的低成本和優良的容錯能力使繼電器成為工業和汽車應用環境中有用和可靠的解決方案。由ON半導體公司提供的集成繼電器驅動裝置NUD3105、NUD3112和NUD3124被認為是控制工業和汽車應用中使用的機械繼電器的理想裝置解決方案。他們的集成設計允許顯著簡化和降低取代傳統的離散解決方案，如雙極晶體極管和自由旋轉二極管的成本。

工業和汽車領域的應用要求

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

要選擇一個合適的繼電器驅動器，就需要對許多約束條件進行評估。對于汽車應用，必須特別注意以下要求：負荷卸料箱(80 V、300 ms)、雙電壓跳轉起動器(24 V或以上) 、反向電池(?14V，1分鐘或更多)、ESD免疫力(根據AEC?Q100規范)、工作環境溫度(?值為40.C至85.C) 。

滿足這些汽車要求通常會導致指定一個超大尺寸和非成本效益的繼電器驅動器，或一個需要許多保護組件。

另一方面，工業應用與標準應用沒有多少不同的要求，如ESD免疫(通常是2.0 kV HBM)和給定的工作環境溫度范圍(通常在0.C到85.C之間)。然而，一些應用程序也要求使用保護設備來對抗瞬態電壓條件，這也造成了需要額外的保護組件。

標準離散繼電器驅動器

對于工業和汽車兩種類型的應用，最傳統和最流行的繼電器驅動器是由一個雙極晶體管、兩個偏置電阻和一個自由旋轉的二極管離散形成的驅動器。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，以確保適當的保護。圖1顯示了一個典型的離散繼電器驅動器。二極管D1提供反向電源保護，二極管D2提供鉗位功能，以抑制在關閉交互作用期間由繼電器的線圈產生的電壓峰值(V = Ldi/dt)。功率MOV器件用于限制正瞬態瞬變在雙極晶體管的擊穿電壓內。

雙極晶體管的飽和電壓(通常超過1.0 V)會導致高功耗，這在某些情況下消除了使用廉價的表面安裝封裝設備，如SOT?23或更小的選擇，因此總是需要更大的封裝，如TO220。由此產生的離散電路是昂貴的，因為它需要幾個組件和一個很大的空間在PC板。

圖1。典型離散繼電器驅動器

工業版本

圖2描述了工業繼電器驅動程序版本(設備NUD3105、NUD3112)。該設備在單個?SOT23中集成了幾個離散組件，以實現比傳統的離散繼電器驅動器更簡單、更有效的解決方案。集成設備的特點如下：N通道場效應晶體管40 V，500 mAESD保護齊納二極管(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。工業繼電器驅動器的說明(NUD3105和NUD3112設備)

40Vn通道場效應晶體管的設計用于開關繼電器的線圈的電流高達500 mA。夾緊保護齊納二極管(14 V)提供了鉗夾功能，以抑制在關斷?相互作用期間由繼電器線圈產生的電壓峰值(V = Ldi/dt)。ESD保護齊納二極管保護柵極-源硅結在操作或組裝設備過程中可能引起的ESD條件。并且偏置電阻向FET提供驅動控制信號。

圖3顯示了NUD3105/NUD3112設備的典型連接圖：

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

當正邏輯電壓施加到設備的柵極(5.0 V/3.3 V)時，場效應晶體管打開，激活繼電器。當場效應晶體管被關閉時，繼電器的線圈被停用，這導致它的回扣并產生一個高電壓尖峰，這個電壓尖峰被放置在場效應晶體管上的鉗位齊納二極管所抑制。對繼電器驅動器的所有開關操作都重復此操作順序。圖4顯示了NUD3112繼電器驅動器在控制OMRON繼電器(G8TB?1A?64)時產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集成的場效應晶體管具有典型的導通電阻為1Q，因此FET產生的功耗約為15mW (P =I2R)，在25°C的環境溫度下。在120 mA的電流下，它導致的開啟電壓降僅為125 mV。

圖4。驅動OMRON繼電器G8TB?1A?64時在NUD3112設備上產生的痕跡

根據繼電器線圈的規格，利用公式E=?L I2可以從理論上計算出其傳遞到驅動器上的能量，結果為0.331mJ。NUD3105和NUD3112器件的雪崩能量能力為50 mJ，因此由OMRON繼電器傳輸的0.331 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設備可以驅動的繼電器線圈的類型。為了達到這些目的，人們需要了解繼電器線圈的電感和電流特性，以計算將被傳輸的能量。所產生的能量不應超過器件額定值時的50 mJ。

汽車版本

圖5描述了汽車繼電器驅動器版本(設備NUD3124)。該設備還集成了單個SOT?23三鉛表面安裝包中的幾個離散組件，以實現比傳統的離散中繼器驅動程序更簡單、甚至更魯棒的解決方案。

集成設備的特點如下：N通道場效應晶體管40 V，150 mA 、ESD保護齊納二極管(14 V)、

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

圖5。汽車繼電器驅動器的描述(NUD3124設備)

40Vn通道場效應晶體管的設計是用來開關繼電器的電流高達200 mA的線圈。夾緊保護齊納二極管(28 V)提供主動夾緊功能，在關閉相互作用期間排出繼電器線圈產生的電壓峰值(V = Ldi/dt)。該功能是通過在鉗位齊納二極管上的電壓達到其擊穿電壓水平(28 V)時，通過鉗位齊納二極管部分激活FET來實現的。ESD保護齊納二極管保護柵極-源極硅結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提供驅動控制信號。圖6顯示了NUD3124設備的典型連接圖。

.

圖6。汽車繼電器驅動器的典型連接圖(NUD3124裝置)

當正邏輯電壓施加到設備的柵極(5.0 V/3.3 V)時，場效應晶體管打開，激活繼電器。當場效應晶體管被關閉時，繼電器的線圈被停用，這導致它回流并產生一個高壓尖峰。該電壓峰值導致鉗位齊納二極管(28 V)擊穿，從而部分激活場效應晶體管，將此條件排空至接地。對繼電器驅動器的所有開關操作都重復此操作順序。

圖7顯示了NUD3124繼電器驅動器在控制OMRON繼電器(G8TB?1A?64)時產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。集成的場效應晶體管具有典型的導通電阻為1.0 Q，因此FET產生的功耗約為15 mW (P = I 2R)，在25°C的環境溫度下。在120 mA電流下，接通?的電壓降僅為125 mV。

圖7。產生的波形當驅動OMRON繼電器時，NUD3124G8TB?1A?64

與NUD3105和NUD3112設備(工業版本)不同，NUD3124設備(汽車版本)的獨特設計提供了主動鉗夾功能，允許更高的反向雪崩能量能力。

圖8。在浪涌測試期間，通過NUD3124設備產生的波形

當瞬態電壓條件超過鉗位齊納二極管(28 V)的擊穿電壓時，激活場效應晶體管。NUD3124器件的能量能力通常為350 mJ。圖8顯示了一個示波器圖像的沖擊測試時，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)允許控制在汽車應用中使用的大多數繼電器，因為它們的線圈通常在50 mA和150 mA之間，電感值低于1 Henry。這些類型的線圈不會將高水平的能量轉移到NUD3124設備(E =?L I2)，因此每一個都可以用相同的設備(NUD3124)進行控制。當使用通用繼電器驅動器產品來控制特定應用電路中使用的大部分繼電器時，可以獲得較大的優勢。節省了PC板空間，優化了電路設計。此外，還簡化了組件數量的采購操作。

NUD3124裝置的主動鉗位特性還允許它符合汽車對負載轉儲和汽車規范要求的其他電壓瞬變的要求。重充電時蓄電池連接故障時，車輛交流發電機產生負載傾倒瞬態。當繼電器打開或關閉時，這些類型的瞬變過程可能會發生。盡管不同供應商對汽車負載傾卸的需求有所不同，但據了解，大部分負載傾卸需求可以維持60 V、350 ms的負載傾卸瞬態。圖9顯示了60V和350ms持續時間的負荷轉儲瞬態。

圖9。負載轉儲瞬態波形(60 V, 350 ms).

示波器圖(圖9)中所示的73 V波形是由60 V負載卸載瞬態加上車輛的電池電壓(13 V)產生的。在應用領域中，繼電器驅動器(NUD3124)總是連接到繼電器，因此，如果發生負載轉儲條件，電流受到繼電器的線圈電阻的限制，這減少了繼電器驅動器(NUD3124)需要排放到地面的能量量。圖10顯示了NUD3124設備在負載轉儲瞬態時產生的波形的示波器圖像。在這種情況下，該設備正在控制一個OMRON繼電器(G8TB? 1A?64)對汽車瞬變的最緊張和最積極的要求是負荷傾倒。

因此，如果一個設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，如240 V(10Q源阻抗)，350仍s持續時間類型。除了符合負載傾倒瞬態要求和所有其他較小的汽車瞬態要求，NUD3124設備還符合其他汽車要求，如反向電池(?14V，1分鐘或以上)和雙電壓跳轉啟動(24 V ±10%)

如果發生反向電池條件，它將導致場效應晶體管的身體二極管向前偏置，從而傳導。在這種情況下，電流將被繼電器的線圈電阻限制到一個安全的水平，導致繼電器通電。使用傳統的離散方法，由于從反向連接的電池通過驅動器到邏輯輸出的可能的電流路徑，控制邏輯電路可能會發生損壞。當使用NUD3124設備時，這種可能性。

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

繼電器模塊

繼電器驅動裝置(NUD3105、NUD3112和NUD3124)如果它們集成在繼電器本體內，創建可以直接從邏輯電路驅動的繼電器模塊，其優點就更加獨特和有用。其優點是：不需要外部驅動程序設備、PC板空間減少、減少插入操作、面向低成本的優化設計。

所有以前的優點將導致降低工業和需要機械繼電器的汽車應用的成本。圖10以圖形化的方式描述了繼電器模塊的設計。一些繼電器制造商已經集成了一個二極管與繼電器的線圈并聯，以簡化驅動電路。其他人則正在考慮開發繼電器模塊的概念。該繼電器制造商的主要目標是為其客戶提供更多的附加值，以優化設計和降低成本。

圖10。在負荷載瞬態期間通過NUD3124設備產生的波形

圖11。由NUD3124裝置在繼電器本體內的集成而形成的繼電器模塊

總結

傳統的離散繼電器驅動器方法(雙極晶體管、偏置電阻和自由旋轉二極管)是昂貴的，因為它需要幾個組件和在PC板上有很大的空間。在某些情況下，它需要額外的保護組件來在汽車和一些工業應用中實現適當的功能。

提供的NUD3105和NUD3112中繼驅動裝置通過一個單片工藝集成所有必要的組件，取代了傳統的離散中繼驅動裝置方法。他們的集成設計是包裝在一個小的三鉛表面安裝SOT?23包，允許最佳操作與減少PC板空間，從而節省成本從制造和組件計數立場 。

NUD3124設備適用于汽車應用。完全滿足卸負荷、反向電池、雙電壓跳動、ESD等主要汽車要求。其獨特的主動鉗設計使該設備成為一個強大的驅動汽車應用。它也被包裝在一個小的三鉛表面安裝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和汽車繼電器市場的重大利益。減少PC板空間，優化電路設計。這些好處為客戶帶來了顯著的增值和成本降低。像這樣的優勢總是有溢價的。

審核編輯：湯梓紅