应用笔记 956

利用模拟开关降低继电器的功耗


摘要 : 本文给出了一种利用模拟开关和分立元件降低继电器功耗的方法。

继电器常被用作电子控制开关,与晶体管不同的是开关触点与控制输入是电隔离的。另一方面,继电器线圈的功耗对于电池供电产品而言是一个缺憾,通过增加一个模拟开关可降低线圈损耗、并允许继电器工作在较低的电压(图1)。

图1. 利用模拟开关降低继电器的功耗
图1. 利用模拟开关降低继电器的功耗

继电器线圈的功耗为V²/RCOIL,降低其标称的5V供电电压可减小相应的功耗(导通后),需要注意的是控制继电器导通的电压(吸合电压)高于保持其导通状态的电压(释放电压),图中所示继电器的吸合电压为3.5V、释放电压为1.5V,本设计中则允许其工作在2.5V的中间值。表1对比了继电器在固定工作电压,以及采用图1电路替代后的功耗。

表1. 继电器功耗
Voltage
Current
Total Power Dissipation
5V (normal operating voltage)
90mA
450mW
3.5V (pick-up voltage)
63mA
221mW
2.5V (circuit of Figure 1)
45mA
112mW

闭合SW1,电流流过继电器线圈,C1、C2开始充电,由于电源电压低于吸合电压,继电器保持释放状态。RC时间常数保证C2上的电压达到模拟开关的逻辑门限之前C1的充电过程基本完成。当C2达到逻辑门限时,模拟开关将C1与2.5V电源和继电器线圈串行连接,这样,通过将继电器线圈的电压提升到5V (两倍于电源电压)使其导通。随着C1通过线圈放电,使线圈电压降低至2.5V减去D1的管压降,该电压仍高于继电器的释放电压(1.5V),因此继电器可继续保持导通状态。

电路中的元件值取决于继电器的特性和电源电压,电阻R1能够保护模拟开关免受流过C1的起始浪涌电流的冲击,为保证C1迅速充电该电阻阻值应该足够小,同时,为防止浪涌电流超出模拟开关所允许的峰值电流,还要保证一定的阻值。U1的峰值电流为400mA,浪涌峰值电流为IPEAK = (VIN - VD1)/(R1 + RON),其中RON是模拟开关的导通电阻(典型值为1.2Ω)。C1的大小取决于继电器的特性和VIN与继电器吸合电压之差,如果继电器需要较大的导通能量则C1取值较大。

R2、C2的选择要保证在C2电压达到模拟开关的逻辑门限之前C1基本完成其充电过程。本设计中,要求C2R2时间常数大约是C1(R1 + RON)的七倍。较大的C2R2会增大开关闭合到继电器启动的延迟时间。

类似文章发表于2001年12月20日的EDN杂志。