節(jié)電模式降低繼電器驅(qū)動功耗

摘要：本應(yīng)用筆記討論具有內(nèi)置節(jié)電電路、能降低總功耗的繼電器驅(qū)動器MAX4822/MAX4824。在典型應(yīng)用中，總節(jié)電范圍能達(dá)5.5%至68.5%，具體數(shù)值取決于所使用的繼電器類型。節(jié)電模式還有助于減小繼電器驅(qū)動電源的尺寸，降低其成本。綜合這些因素，可以使整個系統(tǒng)更小型化、更廉價(jià)。

概述

某些設(shè)備如電信或者自動測試設(shè)備(ATE)常使用多排繼電器來幾乎無損的切換各種信號。在這些產(chǎn)品中，多個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)動器件，用于降低整個系統(tǒng)的功耗。

節(jié)電設(shè)計(jì)方法

MAX4822/MAX4824繼電器驅(qū)動器具有節(jié)電特性，可在FET先導(dǎo)通一段時(shí)間后降低驅(qū)動器電壓。最初時(shí)輸出驅(qū)動器為完全飽和導(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“啟動狀態(tài)”和“節(jié)電狀態(tài)”。在啟動狀態(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)?；氐角懊嫠e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。

Driver Setting (n)	VDRIVER	VCOIL	Savings (%)
10%	0.50	4.50	5.5
20%	1.00	4.00	16.0
30%	1.50	3.50	26.5
40%	2.00	3.00	37.0
50%	2.50	2.50	47.5
60%	3.00	2.00	58.0
70%	3.50	1.50	68.5

可以注意到，節(jié)電能力隨著驅(qū)動器設(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。