继电器驱动电路的可靠性设计

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。

电路如上图所示：

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：

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：

即

算得：

---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：

即：

得到：

---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：

要求：

代入得到：

而，

根据条件2取,

代入上式得到：

---条件3

综合条件1、2、3，取：

改进后的电路：

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。