繼電器驅(qū)動(dòng)電路的可靠性設(shè)計(jì)

享了一個(gè)繼電器的驅(qū)動(dòng)電路，該電路在高低溫測試時(shí)出現(xiàn)不能控制繼電器吸合的情況。

今天，我拖著上了一天班之后的疲憊身軀，再盤一把這個(gè)電路。

電路如上圖所示：

1)存在問題的驅(qū)動(dòng)電路

主要存在以下的問題：

1) 在處理器上電之后，通過程序控制在端口輸出高、低電平，此時(shí)端口是強(qiáng)推挽輸出。

當(dāng)端口輸出低電平時(shí)，如果從端口到Q1的B極之間的電路有漏電流產(chǎn)生，該漏電流會(huì)被處理器的輸出端口吸收，使得Q1的基極電壓維持在導(dǎo)通電壓以下，可以保證可靠截止，不至于繼電器被誤吸合。

但是，除了上電之后的高、低電平狀態(tài)，三極管Q1的B極在處理器的上電過程中處于高阻狀態(tài)。

我們知道，除了早期的51單片機(jī)，大部分的處理器的端口默認(rèn)狀態(tài)是高阻狀態(tài)；

在上電的過程中，程序運(yùn)行到端口初始化的代碼，需要一定的時(shí)間。在這段時(shí)間內(nèi)，端口是處于高阻狀態(tài)的。

我的經(jīng)驗(yàn)是，對(duì)于MOS管和三極管控制電路中，

在任何情況下，只要MOS管的門極或者三極管的基極會(huì)出現(xiàn)高阻狀態(tài)，

則需要在門極和基極上增加泄流電阻。

如果不存在這個(gè)電阻，漏電流流入到Q1的基極，被放大之后，可能導(dǎo)致繼電器吸合。

最大漏電流按100uA評(píng)估，而三極管的電流放大倍數(shù)可高達(dá)400，集電極電流將高達(dá) 40mA。

2) 很多工程師在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，只關(guān)注器件的最大特性和電氣特性；對(duì)于占據(jù)更大篇幅的特性曲線，卻當(dāng)作是給規(guī)格書配重的擺設(shè)并不關(guān)注。

對(duì)于可靠性設(shè)計(jì)而言，規(guī)格書中的特性曲線是非常重要的。

以該電路中的三極管為例，從特性曲線中，我們可以看到，電流放大倍數(shù)跟C極電流、溫度等都有關(guān)系。

其最小值并不是在電氣特性表格中說明的25°C 的50。

昨天分享了一個(gè)繼電器的驅(qū)動(dòng)電路，該電路在高低溫測試時(shí)出現(xiàn)不能控制繼電器吸合的情況。

今天，我拖著上了一天班之后的疲憊身軀，再盤一把這個(gè)電路。

電路如附圖1所示，主要存在以下的問題：

1) 在處理器上電之后，通過程序控制在端口輸出高、低電平，此時(shí)端口是強(qiáng)推挽輸出。

當(dāng)端口輸出低電平時(shí)，如果從端口到Q1的B極之間的電路有漏電流產(chǎn)生，該漏電流會(huì)被處理器的輸出端口吸收，使得Q1的基極電壓維持在導(dǎo)通電壓以下，可以保證可靠截止，不至于繼電器被誤吸合。

但是，除了上電之后的高、低電平狀態(tài)，三極管Q1的B極在處理器的上電過程中處于高阻狀態(tài)。

我們知道，除了早期的51單片機(jī)，大部分的處理器的端口默認(rèn)狀態(tài)是高阻狀態(tài)；

在上電的過程中，程序運(yùn)行到端口初始化的代碼，需要一定的時(shí)間。在這段時(shí)間內(nèi)，端口是處于高阻狀態(tài)的。

我的經(jīng)驗(yàn)是，對(duì)于MOS管和三極管控制電路中，

在任何情況下，只要MOS管的門極或者三極管的基極會(huì)出現(xiàn)高阻狀態(tài)，則需要在門極和基極上增加泄流電阻。

如果不存在這個(gè)電阻，漏電流流入到Q1的基極，被放大之后，可能導(dǎo)致繼電器吸合。

最大漏電流按100uA評(píng)估，而三極管的電流放大倍數(shù)可高達(dá)400，集電極電流將高達(dá) 40mA。

2) 很多工程師在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，只關(guān)注器件的最大特性和電氣特性；對(duì)于占據(jù)更大篇幅的特性曲線，卻當(dāng)作是給規(guī)格書配重的擺設(shè)并不關(guān)注。

對(duì)于可靠性設(shè)計(jì)而言，規(guī)格書中的特性曲線是非常重要的。

以該電路中的三極管為例，從特性曲線中，我們可以看到，電流放大倍數(shù)跟C極電流、溫度等都有關(guān)系。其最小值并不是在電氣特性表格中說明的25°C 的50。

關(guān)于此電路的可靠性設(shè)計(jì)方法以及最值參數(shù)

根據(jù)上述分析的電路的問題，對(duì)電路做一些改進(jìn)，在基極和發(fā)射極之間增加泄流電阻R2，如下：

改進(jìn)后的電路

當(dāng)我們采用WCCA(最壞情況電路分析)對(duì)該電路進(jìn)行可靠性分析時(shí)，

由于電路簡單，可以使用極值法進(jìn)行分析，而不需要采用復(fù)雜的蒙特卡洛模擬進(jìn)行分析。

而極值法是根據(jù)器件的最大、最小值，根據(jù)電路理論，列出解析表達(dá)式，

根據(jù)單調(diào)性對(duì)目標(biāo)參數(shù)的極值進(jìn)行分析的方法。

根據(jù)福特汽車電子的設(shè)計(jì)規(guī)范，并結(jié)合長期的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

總結(jié)了以下的器件的參數(shù)最值：

• 三極管的B、E極截止電壓最小為0.3V，最大導(dǎo)通電壓為0.9V；

• 三極管的集電極電流/基極電流的最小電流放大倍數(shù)為30。

• PCB板在潮濕環(huán)境下的最大漏電流為100uA；

• 精度為5%的電阻考慮溫度和老化誤差之后，精度取10%。

• 處理器的輸出高電平的為供電電壓的±10%；

在Q1的基極處于高阻狀態(tài)時(shí)，為了保證三極管可靠截止，需要有：

即

算得：

---條件1

當(dāng)處理器的端口輸出高電平時(shí)，為了保證三極管B、E極的可靠導(dǎo)通，需要有：

即：

得到：

---條件2

為了使得繼電器的線圈得到最大的電壓，以及Q1的功耗最小。

Q1需要處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，即：

要求：

代入得到：

而，

根據(jù)條件2取,

代入上式得到：

---條件3

綜合條件1、2、3，取：

改進(jìn)后的電路：

改進(jìn)后的電路和器件參數(shù)

另外，從計(jì)算過程來看，

由于處理器端口輸出電流的限制，

對(duì)于線圈電流更大的繼電器，用單個(gè)三極管驅(qū)動(dòng)是不合適的，應(yīng)該用兩個(gè)三極管組成達(dá)林頓管來驅(qū)動(dòng)。

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