某些設(shè)備如電信或者自動(dòng)測試設(shè)備(ATE)常使用多排繼電器來幾乎無損的切換各種信號(hào)。在這些產(chǎn)品中，多個(gè)繼電器線圈可由單電源供電，該電源必須大到足以同時(shí)驅(qū)動(dòng)所有線圈。另外，這些繼電器被密集的排布在很小的區(qū)域內(nèi)，設(shè)計(jì)時(shí)必需考慮線圈的功耗。

 

繼電器線圈所需的吸合電壓遠(yuǎn)高于其保持電壓。認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，就有可能設(shè)計(jì)出一種通過減少線圈驅(qū)動(dòng)電流來節(jié)省能耗的電路。本應(yīng)用筆記討論一種具有內(nèi)置節(jié)電電路的繼電器驅(qū)動(dòng)器件，用于降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗。

 

節(jié)電設(shè)計(jì)方法
 

MAX4822/MAX4824繼電器驅(qū)動(dòng)器具有節(jié)電特性，可在FET先導(dǎo)通一段時(shí)間后降低驅(qū)動(dòng)器電壓。最初時(shí)輸出驅(qū)動(dòng)器為完全飽和導(dǎo)通的FET。經(jīng)過一段可調(diào)延時(shí)后，F(xiàn)ET上的壓降調(diào)整為寄存器編程值。該延時(shí)可由外部電容設(shè)定(圖1)。

 

圖1. MAX4822功能框圖

 

節(jié)電特性能同時(shí)降低繼電器線圈功耗和電源功耗。該器件的輸出驅(qū)動(dòng)器具有ON和OFF兩種狀態(tài)。

 

ON狀態(tài)具有兩種不同的狀態(tài)，被稱為“啟動(dòng)狀態(tài)”和“節(jié)電狀態(tài)”。在啟動(dòng)狀態(tài)時(shí)，輸出FET完全飽和導(dǎo)通。經(jīng)過由PSAVE引腳端電容設(shè)定的時(shí)延后，器件進(jìn)入節(jié)電狀態(tài)，此時(shí)FET上的壓降由控制回路調(diào)節(jié)。

 

為了說明節(jié)電模式下的節(jié)電原理，可以對兩種ON模式下的功耗進(jìn)行比較。假設(shè)繼電器線圈具有100Ω直流電阻，系統(tǒng)使用5V電源。圖2給出了由理想電感和電阻RCOIL組成的繼電器線圈模型。

 

圖2. FET驅(qū)動(dòng)繼電器線圈的模型。線圈模型由理想電感和電阻RCOIL串聯(lián)組成。

 

在啟動(dòng)狀態(tài)，MAX4822/MAX4824輸出電阻最大值為5Ω。因此功耗可由下式計(jì)算：

 

ICOIL = 5V/105Ω = 47.6mA

 

PCOIL = ICOIL² × RCOIL = 47.6mA² × 100Ω = 0.227W

 

PDRIVER = ICOIL² × RDRIVER = 47.6mA² × 5Ω = 0.011W

 

PTOTAL_INIT = 0.238W

 

節(jié)電狀態(tài)下的功耗分析略有不同。必須首先確定線圈功耗，然后才能確定驅(qū)動(dòng)器功耗。最后將兩者簡單求和。

 

在節(jié)電狀態(tài)下，F(xiàn)ET輸出端電壓被調(diào)節(jié)為電源電壓的某一百分值，該電壓由內(nèi)置寄存器設(shè)定。這意味著，圖2所示電壓VDRIVER由內(nèi)部控制回路調(diào)節(jié)。回到前面所舉例子，假設(shè)VDRIVER為50% (盡管MAX4822/MAX4824的允許范圍為10%至70%)，則線圈的功耗為：

 

VCOIL = 5V- (50% × 5V) = 2.5V

 

ICOIL_PS = VCOIL/RCOIL = 2.5V/100Ω = 0.025A

 

PCOIL = 2.5V × 25mA = 0.0625W

 

要計(jì)算驅(qū)動(dòng)器的功耗，切記其電流與線圈電流一樣：

 

IDRIVER_PS = 0.025A

 

VDRIVER = 50% × 5V = 2.5V

 

PDRIVER = 0.0625W

 

PTOTAL_PS = 0.125W

 

節(jié)電率 = 1 - PTOTAL_PS/PTOTAL_INIT

 

因此，在這本例中，和啟動(dòng)狀態(tài)相比節(jié)電模式減少了約47.5%的功耗。

 

以下是計(jì)算節(jié)電能力的另一個(gè)公式。注意：一旦電流已知，即獲得了計(jì)算節(jié)電能力所需的信息。

 

PTOTAL_PS = VCC × ICOIL_PS

 

PTOTAL_INIT = VCC × IDRIVER_INIT

 

節(jié)電率 = 1 - ICOIL_PS/IDRIVER_INIT

 

該等式解釋了節(jié)電模式為何能節(jié)電：電源電壓保持不變，但從電源吸取的電流減小了。

 

可以很容易的創(chuàng)建一個(gè)表格來說明MAX4822/MAX4824各設(shè)定值可能的節(jié)電效果。在該表格中，VCC = 5V，RDRIVER = 5Ω，RCOIL = 100Ω，與前文的例子相同。

 

 

可以注意到，節(jié)電能力隨著驅(qū)動(dòng)器設(shè)定值增加而升高。然而，請務(wù)必注意對于最高設(shè)定值，線圈上的壓降僅有1.5V，可能不足以使繼電器保持在ON位置。

 

結(jié)論
 

MAX4822/MAX4824繼電器驅(qū)動(dòng)器的節(jié)電特性可有效降低單穩(wěn)態(tài)繼電器ON狀態(tài)的功耗。在本文的實(shí)例中，總耗電量減小了47.5%。測試表明節(jié)電量范圍可達(dá)5.5%到68.5%，具體數(shù)值取決于所使用的繼電器類型。該節(jié)電特性還有助于降低繼電器驅(qū)動(dòng)電源的尺寸和成本，是一種實(shí)現(xiàn)小型化、廉價(jià)系統(tǒng)的方法。