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(fù)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(hù)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2kV HBM),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(hù)元件,這就需要增加額外的保護(hù)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(hù)。圖1顯示了一個典型的有額外保護(hù)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(hù),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。

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 FET 40V, 500mA
● ESD 保護(hù)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(hù)齊納二極管(5V 繼電器線圈為7V,12V線圈為 14V )
40V N-溝道FET用于轉(zhuǎn)換繼電器線圈中高達(dá)500mA的電流。箝位保護(hù)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(hù)齊納二極管保護(hù)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。

當(dāng)正向邏輯電壓施加到器件的門極時(5V/3.3V),FET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,FET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。

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 = 1/2 L I2進(jìn)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 OMRON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 = 1/2 L I2) 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�過器件的額定值50mJ。
4.2 汽車版本

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(jìn)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 FET 40V, 200mA
● ESD 保護(hù)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(hù)齊納二極管(28V)作為有源箝位器。
40V N-溝道FET用于轉(zhuǎn)換繼電器線圈中高達(dá)200mA的電流。箝位保護(hù)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(dá)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(hù)齊納二極管保護(hù)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。