分享了一个继电器的驱动电路,该电路在高低温测试时出现不能控制继电器吸合的情况。
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1)存在问题的驱动电路

主要存在以下的问题:
1) 在处理器上电之后,通过程序控制在端口输出高、低电平,此时端口是强推挽输出。
当端口输出低电平时,如果从端口到Q1的B极之间的电路有漏电流产生,该漏电流会被处理器的输出端口吸收,使得Q1的基极电压维持在导通电压以下,可以保证可靠截止,不至于继电器被误吸合。
但是,除了上电之后的高、低电平状态,三极管Q1的B极在处理器的上电过程中处于高阻状态。
我们知道,除了早期的51单片机,大部分的处理器的端口默认状态是高阻状态;
在上电的过程中,程序运行到端口初始化的代码,需要一定的时间。在这段时间内,端口是处于高阻状态的。
我的经验是,对于MOS管和三极管控制电路中,
在任何情况下,只要MOS管的门极或者三极管的基极会出现高阻状态,
则需要在门极和基极上增加泄流电阻。
如果不存在这个电阻,漏电流流入到Q1的基极,被放大之后,可能导致继电器吸合。
最大漏电流按100uA评估,而三极管的电流放大倍数可高达400,集电极电流将高达 40mA。
2) 很多工程师在设计产品时,只关注器件的最大特性和电气特性;对于占据更大篇幅的特性曲线,却当作是给规格书配重的摆设并不关注。
对于可靠性设计而言,规格书中的特性曲线是非常重要的。
以该电路中的三极管为例,从特性曲线中,我们可以看到,电流放大倍数跟C极电流、温度等都有关系。
其最小值并不是在电气特性表格中说明的25°C 的50。
昨天分享了一个继电器的驱动电路,该电路在高低温测试时出现不能控制继电器吸合的情况。
今天,我拖着上了一天班之后的疲惫身躯,再盘一把这个电路。
电路如附图1所示,主要存在以下的问题:
1) 在处理器上电之后,通过程序控制在端口输出高、低电平,此时端口是强推挽输出。
当端口输出低电平时,如果从端口到Q1的B极之间的电路有漏电流产生,该漏电流会被处理器的输出端口吸收,使得Q1的基极电压维持在导通电压以下,可以保证可靠截止,不至于继电器被误吸合。
但是,除了上电之后的高、低电平状态,三极管Q1的B极在处理器的上电过程中处于高阻状态。
我们知道,除了早期的51单片机,大部分的处理器的端口默认状态是高阻状态;
在上电的过程中,程序运行到端口初始化的代码,需要一定的时间。在这段时间内,端口是处于高阻状态的。
我的经验是,对于MOS管和三极管控制电路中,
在任何情况下,只要MOS管的门极或者三极管的基极会出现高阻状态,则需要在门极和基极上增加泄流电阻。
如果不存在这个电阻,漏电流流入到Q1的基极,被放大之后,可能导致继电器吸合。
最大漏电流按100uA评估,而三极管的电流放大倍数可高达400,集电极电流将高达 40mA。
2) 很多工程师在设计产品时,只关注器件的最大特性和电气特性;对于占据更大篇幅的特性曲线,却当作是给规格书配重的摆设并不关注。
对于可靠性设计而言,规格书中的特性曲线是非常重要的。
以该电路中的三极管为例,从特性曲线中,我们可以看到,电流放大倍数跟C极电流、温度等都有关系。其最小值并不是在电气特性表格中说明的25°C 的50。

关于此电路的可靠性设计方法以及最值参数
根据上述分析的电路的问题,对电路做一些改进,在基极和发射极之间增加泄流电阻R2,如下:
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改进后的电路

当我们采用WCCA(最坏情况电路分析)对该电路进行可靠性分析时,
由于电路简单,可以使用极值法进行分析,而不需要采用复杂的蒙特卡洛模拟进行分析。
而极值法是根据器件的最大、最小值,根据电路理论,列出解析表达式,
根据单调性对目标参数的极值进行分析的方法。
根据福特汽车电子的设计规范,并结合长期的实践经验。
总结了以下的器件的参数最值:
  • 三极管的B、E极截止电压最小为0.3V,最大导通电压为0.9V;
  • 三极管的集电极电流/基极电流的最小电流放大倍数为30。
  • PCB板在潮湿环境下的最大漏电流为100uA;
  • 精度为5%的电阻考虑温度和老化误差之后,精度取10%。
  • 处理器的输出高电平的为供电电压的±10%;
在Q1的基极处于高阻状态时,为了保证三极管可靠截止,需要有:
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算得:
592ab8a5204149f8bb08a0507691eaad.jpg ---条件1
当处理器的端口输出高电平时,为了保证三极管B、E极的可靠导通,需要有:
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即:
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得到:
7318e57ab0394b1b9e3151ad1ae136a9.jpg ---条件2
为了使得继电器的线圈得到最大的电压,以及Q1的功耗最小。
Q1需要处于饱和导通状态,即:
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要求:
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150621f6572c4a1f81e02ecc244038a6.jpg
代入得到:
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而,
56dcf047db864627810ca6b4d4aeaf30.jpg
根据条件2取 74d147ed446f49729c279fe02319911f.jpg ,
代入上式得到:
7cfa523aae6c4a07a190f6f026378de1.jpg ---条件3
综合条件1、2、3,取:
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改进后的电路:
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改进后的电路和器件参数

另外,从计算过程来看,
由于处理器端口输出电流的限制,
对于线圈电流更大的继电器,用单个三极管驱动是不合适的,应该用两个三极管组成达林顿管来驱动。

来源:物联网全栈开发