应用笔记 3951

节电模式降低继电器驱动功耗


摘要 : 本应用笔记讨论具有内置节电电路、能降低总功耗的继电器驱动器MAX4822/MAX4824。在典型应用中,总节电范围能达5.5%至68.5%,具体数值取决于所使用的继电器类型。节电模式还有助于减小继电器驱动电源的尺寸,降低其成本。综合这些因素,可以使整个系统更小型化、更廉价。

概述

某些设备如电信或者自动测试设备(ATE)常使用多排继电器来几乎无损的切换各种信号。在这些产品中,多个继电器线圈可由单电源供电,该电源必须大到足以同时驱动所有线圈。另外,这些继电器被密集的排布在很小的区域内,设计时必需考虑线圈的功耗。

继电器线圈所需的吸合电压远高于其保持电压。认识到这一点,就有可能设计出一种通过减少线圈驱动电流来节省能耗的电路。本应用笔记讨论一种具有内置节电电路的继电器驱动器件,用于降低整个系统的功耗。

节电设计方法

MAX4822/MAX4824继电器驱动器具有节电特性,可在FET先导通一段时间后降低驱动器电压。最初时输出驱动器为完全饱和导通的FET。经过一段可调延时后,FET上的压降调整为寄存器编程值。该延时可由外部电容设定(图1)。

图1. MAX4822功能框图
图1. MAX4822功能框图

节电特性能同时降低继电器线圈功耗和电源功耗。该器件的输出驱动器具有ON和OFF两种状态。

ON状态具有两种不同的状态,被称为“启动状态”和“节电状态”。在启动状态时,输出FET完全饱和导通。经过由PSAVE引脚端电容设定的时延后,器件进入节电状态,此时FET上的压降由控制回路调节。

为了说明节电模式下的节电原理,可以对两种ON模式下的功耗进行比较。假设继电器线圈具有100Ω直流电阻,系统使用5V电源。图2给出了由理想电感和电阻RCOIL组成的继电器线圈模型。

图2. FET驱动继电器线圈的模型。线圈模型由理想电感和电阻RCOIL串联组成。
图2. FET驱动继电器线圈的模型。线圈模型由理想电感和电阻RCOIL串联组成。

在启动状态,MAX4822/MAX4824输出电阻最大值为5Ω。因此功耗可由下式计算:

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

节电状态下的功耗分析略有不同。必须首先确定线圈功耗,然后才能确定驱动器功耗。最后将两者简单求和。

在节电状态下,FET输出端电压被调节为电源电压的某一百分值,该电压由内置寄存器设定。这意味着,图2所示电压VDRIVER由内部控制回路调节。回到前面所举例子,假设VDRIVER为50% (尽管MAX4822/MAX4824的允许范围为10%至70%),则线圈的功耗为:

VCOIL = 5V- (50% × 5V) = 2.5V
ICOIL_PS = VCOIL/RCOIL = 2.5V/100Ω = 0.025A
PCOIL = 2.5V × 25mA = 0.0625W

要计算驱动器的功耗,切记其电流与线圈电流一样:

IDRIVER_PS = 0.025A
VDRIVER = 50% × 5V = 2.5V
PDRIVER = 0.0625W

PTOTAL_PS = 0.125W

节电率 = 1 - PTOTAL_PS/PTOTAL_INIT

因此,在这本例中,和启动状态相比节电模式减少了约47.5%的功耗。

以下是计算节电能力的另一个公式。注意:一旦电流已知,即获得了计算节电能力所需的信息。

PTOTAL_PS = VCC × ICOIL_PS
PTOTAL_INIT = VCC × IDRIVER_INIT

节电率 = 1 - ICOIL_PS/IDRIVER_INIT

该等式解释了节电模式为何能节电:电源电压保持不变,但从电源吸取的电流减小了。

可以很容易的创建一个表格来说明MAX4822/MAX4824各设定值可能的节电效果。在该表格中,VCC = 5V,RDRIVER = 5Ω,RCOIL = 100Ω,与前文的例子相同。

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,节电能力随着驱动器设定值增加而升高。然而,请务必注意对于最高设定值,线圈上的压降仅有1.5V,可能不足以使继电器保持在ON位置。

结论

MAX4822/MAX4824继电器驱动器的节电特性可有效降低单稳态继电器ON状态的功耗。在本文的实例中,总耗电量减小了47.5%。测试表明节电量范围可达5.5%到68.5%,具体数值取决于所使用的继电器类型。该节电特性还有助于降低继电器驱动电源的尺寸和成本,是一种实现小型化、廉价系统的方法。