本設計實例展現了如何在一個繼電器線圈(relay coil)驅動電路中,用一個63美分(Q=1)的微處理器重置電壓檢測晶片顯著降低線圈的保持電流(hold-in current)。


如果問一個小型歐姆龍(Omron)G5V-2雙刀雙擲(DPDT)繼電器的線圈工作電流大約是多少,大多數人會估計在25mA左右,而實測電流卻為100mA。然而一旦繼電器動作後,大部分繼電器只需要一個相當於接通時5%的電流就能保持吸附(pull-in)狀態。即使是以下案例中的微型歐姆龍G5V-1單刀雙擲(SPDT)繼電器在5V運作時的線圈電流也有30mA。


市場上有大量用於降低保持電流的成熟電路,許多是基於離散元件的設計件,利用大容量的電解電容進行時序控制;出人意料的是,本文介紹的方法在其他地方沒有被提及過。


使用兩條I/O埠線

如果可以的話,用兩個輸出來控制一個繼電器將會是最合理的方法:用其中一個I/O埠使繼電器吸附,用另一個I/O埠使繼電器保持吸附。首先,將兩個埠都置高電平,但在約20ms後,將吸附(PULL-IN)訊號置低電平,而將保持(HOLD)訊號一直置高電平,直到需要釋放繼電器才置低電平。


![20160420 Relay TA 01FIG1](//images.contentful.com/644o4pfp4ld4/17eB37iPgo8YYAOMgMoCGI/0a6ed74b73ac4a132036390ef531e8d0/20160420_Relay_TA_01FIG1.jpg)
圖1 一個非常簡單的方法:利用第二條I/O埠線來切換較小的驅動電流。



在保持電晶體的集電極(collector)和繼電器線圈之間是一個限流/降壓元件,如電阻、穩壓二極體(Zener diode)或者是二極體串;這些零組件的耗散功率都很小(在10m~25mW之間)。


使用重置電壓檢測器

一般情況下只有一條控制線可用;圖2是一個理想的吸附脈衝(單穩態)解決方案。


![20160420 Relay TA 01FIG2](//images.contentful.com/644o4pfp4ld4/3eQRA2NIsUgIysMWcmSmyI/361e8fe44cdb3b042f7526b52e99a026/20160420_Relay_TA_01FIG2.jpg)
圖2 用一個高電平有效的重置晶片來產生吸附電流脈衝,MCP101 和 ZVN3306F可以妥善與各種繼電器一起使用;類似的元件也能運作良好(如MAX810)。



小型SOT-23微處理器重置控制器比較理想;低電平有效輸出元件(active-low-output parts)可直接應用於汲極開路(open-drain),能夠吸入足夠的電流,也能承受繼電器電壓。其他情況下,建議用高電平有效輸出晶片來驅動電晶體。


幾點注意事項

驅動MOSFET和雙極電晶體的所有電流來自控制線,所以要儘量將NPN基極電流(base current)維持在足夠低的水準,以防止高電平時的壓降;如果控制電壓達不到電壓檢測器的閾值電平,重置脈衝不會產生,用一顆工作電壓比閾值電平高很多的重置晶片可以簡化設計需求。


大多數繼電器的規格顯示繼電器吸附時間不超過10ms,很多微處理器重置晶片會產生一個100ms或者更長的脈衝訊號,如果沒有最小功耗的限制要求,這樣做沒有任何問題。


狀態指示LED

在用平台概念開發原型時,在一些特殊節點加上LED是很有效的,可以幫助軟體發展人員快速發現程式碼是否啟動了電路,還能減少用示波器探測這些點的需求。


![20160420 Relay TA 01FIG3](//images.contentful.com/644o4pfp4ld4/1Ojh5QyViwyOmIyamEWOy4/a41be464eac307513eba76a86842c3bd/20160420_Relay_TA_01FIG3.jpg)
圖3 如果包含狀態指示LED,需要將之置於限流/降壓元件的兩側。



LED製造商通常不會詳細說明LED是否能在1mA或更低電流下正常運作,實際上許多LED是可以的;較小尺寸(如0402 封裝)的LED 通常是理想選擇。表1是一些1mA 系列的LED推薦——但未經確認。


![20160420 Relay TA 01FIG3-1](//images.contentful.com/644o4pfp4ld4/CWjBPL2fw4iA8U6sSwKGY/f104a15c16d6aa8bfacf9bca6d635c72/20160420_Relay_TA_01FIG3-1.jpg)
表1 小電流LED



這樣的元件會在市場上受歡迎嗎?

一顆稍加擴展的重置晶片就能實現單晶片繼電器驅動解決方案(如圖4),而且我認為它將成為非常成功的商用元件;畢竟我們仍需要驅動繼電器運作很長一段時間。


![20160420 Relay TA 01FIG4](//images.contentful.com/644o4pfp4ld4/1dvJGNwc3ksEs02CGS6GIQ/4386cff1048e2936cca7325b3eed4b11/20160420_Relay_TA_01FIG4.jpg)
圖4 一個能實現這種設計的商用晶片將很受市場的歡迎。