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節(jié)電模式降低繼電器驅(qū)動(dòng)功耗

發(fā)布時(shí)間:2017-04-07 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】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(dòng)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(dòng)電源的尺寸,降低其成本。綜合這些因素,可以使整個(gè)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(dòng)測(cè)試設(shè)備(ATE)常使用多排繼電器來(lái)幾乎無(wú)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(guò)減少線圈驅(qū)動(dòng)電流來(lái)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(guò)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)。
 
節(jié)電模式降低繼電器驅(qū)動(dòng)功耗
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(guò)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(shuō)明節(jié)電模式下的節(jié)電原理,可以對(duì)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。
 
節(jié)電模式降低繼電器驅(qū)動(dòng)功耗
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(jiǎn)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(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(lái)說(shuō)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。
 
節(jié)電模式降低繼電器驅(qū)動(dòng)功耗
 
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(qǐng)務(wù)必注意對(duì)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(cè)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。
 
 
 
 
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