CN103415905A - 改进的继电控制方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种方法和装置：至少一个包括线圈和至少一对接触部件的机电式继电器，所述接触部件响应于通过线圈的电流，在断电状态和通电状态之间转换；微处理器，其具有至少一个操作以产生ON、OFF和FLOAT状态的三态输出；以及驱动电路，与所述微处理器的三态输出协同操作，以这样控制流过继电器线圈的电流：(i)三态输出从OFF到FLOAT的转换，在整个转换期间维持继电器的接触部件在其断电状态；并且(ii)三态输出从ON到FLOAT的转换，在整个转换期间维持继电器的接触部件在其通电状态。

Description

改进的继电控制方法和装置

背景技术

本发明涉及用于控制电力输送到负载的方法和装置，更具体地，涉及提高可靠性并且降低电力消耗的电力控制技术。

信息技术(IT)设备房间(也称为数据中心)利用数百甚至数千的IT设备单元。每一块IT设备通过插入电源分配单元(“PDU”)的出口来接收主电源。PDU同样是一块IT设备，通常包括：(a)用于从其接收电力(通常从配电板)的高功率入口；(b)多个低功率插座；及(c)(可选的)用于保护插座免于过电流条件(短路等)的断路器或保险丝。PDU通常设计成通过通信和/或输入/输出接口报告特定的状态信息，包括：(a)提供至给定的PDU入口的电压，(b)电力在入口和每个插座流动的量，及(c)每个断路器跳闸状态(是否存在电压)。

此外，每个PDU可包括响应于微控制器的信号，调节输出电压打开和关闭的能力。此功能允许一定程度上，对从PDU的每个输出口至IT设备的多个——如果不是几乎全部的——电力进行软件控制。图1A-1B分别示出了通过微控制器12控制PDU的单个输出的常规系统10的方框图和时序图。系统10包括微控制器12，机电式继电器14和驱动晶体管16。如在本领域中是已知的，微控制器12能够在通用输入输出(GPIO)引脚上产生一个信号，控制输送到PDU的输出的电力(120VAC)的状态，标记为交流负载。为了简洁和清晰，本说明书不会进入进一步的细节，如微控制器12的硬件，固件，和/或软件功能。无须多论，存在有许多条件，在这些条件下均适于微控制器12开启，关闭，浮动GPIO引脚上的信号。值得注意的是，虽然可能有数十，数百或数千的GPIO引脚在系统10中，这里的描述关注的是这样的一个引脚，对它的描述可延伸到在系统10中的其他GPIO引脚。

如图1B中顶部图所示，GPIO引脚具有三态输出，其中GPIO引脚的状态可以为关(OFF)(例如，0伏)，开(ON)(如1伏)，或浮动(FLOAT)(例如，一个高阻抗输入)。当GPIO引脚为OFF时，电位处于逻辑低(例如，0伏)电平，该引脚能够吸收电流(到一个相对低的阻抗)。当GPIO引脚为ON，则电位处于逻辑高电平(例如，1伏)，引脚能够产生电流(从一个相对低的阻抗)。当GPIO引脚处于FLOAT状态时，该引脚操作为一个相对高阻抗输入，并且呈现一个由微控制器12的外部电路指定的电位。

参照图1A和图1B的中部和底部的图，机电式继电器14包括线圈和至少一组接触部件。假定继电器14是“常开”，这意味着，当线圈未通电时(没有电流流过线圈)，接触部件假设OFF(断开)的状态，这一组接触部件之间的路径是断开的。在OFF状态，不存在从120V交流节点向交流负载的电流路径。当线圈通电时，电流流过线圈，由线圈产生的磁场引起接触部件呈现为ON状态，这一组接触部件之间的路径是闭合的。在ON状态下，从120V交流节点到交流负载之间存在电流路径，负载是通电的。

驱动晶体管16响应于GPIO引脚上的电位，控制电流通过继电器14的线圈。在图示的例子中，驱动晶体管16是n-沟道MOSFET。这样，当GPIO引脚为ON时(放置在栅极约1伏)，驱动晶体管16导通，因此，提供了电流路径(从漏极到源极)，引导电流通过线圈。假定，当GPIO引脚为ON时，通过线圈和驱动晶体管16的阻抗的大小，使得通过线圈的电流约为33毫安。正如上面所讨论的，流过线圈的电流上拉接触部件，建立了从120V交流节点到交流负载的路径。当GPIO引脚为OFF时，引脚是电流吸收器，电荷从栅极注入，造成驱动晶体管16上从栅极至源极之间约0伏的偏置。因此，在驱动晶体管16关断时，从漏极到源极的电流路径被中断，并且没有电流流过线圈。如上所述，通过线圈的电流的缺乏允许常开接触部件分离，并从120V交流节点至交流负载的路径被终止。

如上所述，GPIO引脚也可以呈现为FLOAT状态，藉此引脚作为相对高阻抗输入来工作。在这种状态下，GPIO引脚将承担一定的电压，其取决于微控制器12的外部电路。这样的电压在图1B中示出为在ON和OFF之间的某处。虽然在图1A中未示出，驱动晶体管16将包括一些在栅极和源极之间的并联电阻。因此，当GPIO引脚为FLOAT状态时，尽管引脚表现为高阻抗输入特性，驱动晶体管16上的并联电阻将释放栅极电荷，导致驱动晶体管16上约0伏的偏置。因此，在驱动晶体管16关断时，从漏极到源极的电流路径被中断，没有电流流过线圈，接触部件分开，从120V交流节点至交流负载的路径被终止。

当GPIO引脚由ON或OFF转换到FLOAT状态时，不希望继电器14改变状态。当GPIO引脚从OFF转换为FLOAT状态，如果假设晶体管16的栅极上的电位是不足以上拉电流通过线圈时，常规系统10不存在问题。事实上，在这样的转换过程中，继电器14保持OFF(接触部件断开)。不幸的是，当GPIO引脚从ON转变为FLOAT状态时，传统的系统10存在一个重大的问题，因为在转换过程中，继电器14从ON(接触部件闭合)转换为OFF(接触部件断开)。

虽然GPIO引脚的FLOAT状态可以被软件控制的方式故意设置和/或避免，但是这样的状态也可能在不经意间以任何数量的方式达到。例如，通过电磁干扰(EMI)，或微控制器12中某种类型的复位条件(例如电源周期，新的固件或软件复位，和/或用户手动复位)。不幸的是，当微处理器12复位，并且GPIO引脚从ON转换到FLOAT状态时，现有技术PDU的系统10不利地关闭继电器14，并且将120V交流电源与负载断开。这种向负载中断供电，可能会由于IT设备从PDU吸收电力，而导致非常严重的，和不希望的行动。这个问题由于大量分离的IT设备从PDU的各自继电器吸收电力，以及潜在的大量的各自的PDU产生电力至更多的IT设备而变得恶化。

在PDU中的功率耗散的背景下，常规系统10还存在另外一个显著的问题。考虑一下，有成千上万的IT设备单元的IT机房将需要数千个继电器14和相关的驱动晶体管16。单个负载在电路中的平均功率耗散是：I*V＝33毫安×12＝396毫瓦。将该功率耗散乘以数以千计的独立负载，可以看到，在现有技术系统10真的是多么的低效。

在现有技术中，通过在接触部件最初闭合之后改变流向继电器14的线圈的电流，系统10的功率低效的问题已得到解决。这种技术识别继电器14的线圈和接触部件的物理机电特性。特别是，需要更高水平的线圈中的电流(因此更高的磁场及力)克服常开接触部件的惯性(这往往是通过某种类型的弹簧保持打开)，并使得接触部件闭合。此电平被称为线圈的“导通电流”，由继电器制造商指定。一旦关闭，接触部件需要较低水平的磁力保持关闭，这是很直观的，因为一旦关闭，惯性已经被克服。此电平被称为线圈的“保持电流”，也是由继电器的制造商指定。一些现有技术的继电器驱动电路采用第一电流将继电器变为ON，采用第二个较低的电流保持继电器闭合。这种技术可以大大提高PDU的效率。

虽然现有技术的系统设法解决常规PDU系统的一些固有的缺点，考虑到前述的微控制器复位造成的负载的不希望的电力中断，以及功率耗散低效，已知的解决方案是不能令人满意的。因此，在本领域中需要新的方法和新的装置，用于控制将电力传输到负载，解决复位的问题，效率的问题，和系统可靠性的相关问题。

发明内容

本方法和装置提供：至少一个包括线圈和至少一对接触部件的机电式继电器，接触部件响应于通过线圈的电流，在断电状态和通电状态之间转换；微控制器，具有至少一个三状态输出，操作以产生ON，OFF，和FLOAT状态；以及驱动电路，与微控制器的三态输出协同操作，以这样控制通过继电器线圈的电流：(i)三状态输出的从OFF到FLOAT的转换过程，在整个转换过程中维持继电器的接触部件在其断电状态；并且(ii)三态状输出从ON到FLOAT的转换过程，在整个转换过程中保持继电器的接触部件在其通电状态。

对本领域的技术人员来说，从本文的描述并结合附图，本发明的其它方面，特征和优点将是显而易见的。

附图说明

为说明的目的，以优选的方式在附图中示出了一些形式，但是，应当明了的是，本发明并不限于所示的精确的安排和手段。

图1A是根据现有技术，使用微控制器和继电器电路，用于控制向负载的功率输送的系统的方框图；

图1B是图1A的系统内的一些信号的时序图；

图2是根据本发明的一个或多个实施例的，使用微控制器和继电器电路，用于控制向负载的功率输送的系统的方框图；

图3是图2中的系统内的一些信号的时序图；

图4是适于实现图2的系统的电路的方框图；

图5是图4的电路内的一些信号的时序图；以及

图6是适于实现图2的系统的替代的电路的方框图。

具体实施方式

虽然本发明的一个或多个实施例中可以被设计为用于IT设备应用中的PDU，并且这里示出了在这样的PDU中的应用，但是这不是必须的。本发明的各个方面，适合于在任何需要通过一个继电器或者一组继电器控制到负载的电力的应用中使用。

现在参考图2，这是根据本发明的一个或多个实施例的，使用微控制器102、继电器电路104和开关电路106的控制至负载(标有交流负载)的电力输送的系统100的方框图。系统100还包括驱动电路108，它向系统100提供比现有技术特的和有利的功能。

微控制器102操作以执行软件/固件指示，为了实现继电器电路104的期望的动作。更具体地，由微控制器102执行的软件/固件可以命令任何数量的GPIO引脚所具有的状态。在一般情况下，可有N个这样的GPIO引脚在给定的微控制器102上。

为了讨论的目的，存在有与微控制器102的GPIO引脚相关的多个特性和定义，最好提前建立，并且在该说明书的下文中参考使用。以定义的方式，给定的GPIO引脚能够作为三态输出来操作，这里GPIO引脚的状态可能是OFF，ON，或FLOAT，这取决于微处理器102上执行的由软件/固件所建立的命令。

OFF状态被定义为逻辑“低”电平，它可以是任何合适的电压电位(通常约0伏，或接地)，在这样的状态下的GPIO引脚能够吸收电流(到相对低的阻抗)。ON状态被定义为逻辑“高”电平，它也可以是任何合适的电压电位。在ON状态的GPIO引脚上的实际电压通常由向微处理器102操作直流电源电压来指定。举例来说，这样的逻辑高电压电平可能是约0.333至约5VDC(参考地)之间的任何电压，尽管更低和更高的电压电平也是可能的。在ON状态，GPIO引脚能够在逻辑高电压电平产生电流(从相对较低的源阻抗)。GPIO引脚的FLOAT状态根据相对高的阻抗输入来定义，呈现为微控制器102的外部电路指定的电压电位。

可以利用任何已知的技术，如市售的微处理器，数字信号处理器，任何已知的用于执行软件和/或固件程序的处理器，可编程的数字设备或系统，可编程阵列逻辑没备，或上述设备的任意组合，包括现在可用的设备和/或在下文中开发的设备，来实现微控制器102。举例来说，可以通过使用STM32ARM MCU，这是从一家名为STMMicroelectronics的公司获得，来实现微控制器102。

为了讨论的目的，也有一些与继电器线圈的特性相关的定义，也最好提前建立，并且在该说明书的下文中参考使用。继电器电路104可以通过至少一个的机电设备来实现，包括线圈和至少一对接触部件。线圈产生磁力，其作为通过线圈的电流的函数，并且接触部件与线圈磁通信。接触部件上的足够高的磁力，产生于通过线圈的足够高的电流，将导致接触部件改变状态，即，断开或闭合。

在“常开”接触部件的情况下，断电状态的特征在于接触部件断开，接触部件之间不存在电流路径。常开接触部件的断电状态在静止状态(无线圈电流)存在，以及当存在有不够大的流过线圈的电流和来自线圈的磁力作用于接触部件时。与此相反，常开接触部件的通电状态，其特征在于接触部件闭合，并且接触部件之间存在电流路径。当有足够大的流过线圈的电流和来自线圈的磁力将接触部件从其常开状态移动至闭合状态时，常开接触部件的通电状态存在。为了示例的目的，本发明的实施例中假定继电器104包括常开接触部件，这对于控制到交流负载的电力是一个有用的配置。

然而，值得注意的是，本发明也考虑其它的实施例，其中常闭接触部件可能是有用的。在“常闭”接触部件的情况下，断电状态的特征在于接触部件是闭合的，并且接触部件之间存在电流路径。常闭接触部件的断电状态处于静止状态(无线圈电流)，以及当存在有不够大的流过线圈的电流和来自线圈的磁力作用于接触部件时。常闭接触部件的通电状态的特征在于接触部件断开，接触部件之间不存在电流路径。当有足够大的流过线圈的电流和来自线圈的磁力将接触部件从常闭状态移动至其断开状态时，常开接触部件的通电状态存在。

继电器104的线圈和接触部件功能的特征在于三个电流水平：无电流，导通电流和保持电流。无电流条件被定义为其中有基本为零的电流流过线圈的状况，在这种情况下，如上所定义，接触部件是断电的。

导通电流水平被定义为其中有足够大的电流流经线圈的状况，因此有足够的磁力，将接触部件从它们的断电状态移动到它们的通电状态。在常开接触部件的情况下，导通电流的水平必须足以克服常开接触部件的惯性(这往往是通过某种类型的弹簧保持打开)，并使得接触部件闭合。在常闭接触部件的情况下，导通电流的水平也必须足以克服的常闭接触部件的惯性，并迫使接触部件断开。导通电流水平明显高于无电流水平，但也高于保持电流的水平。导通电流水平可以被认为是足以将接触部件从断电状态转换到通电状态的的最低水平，或者它可以被认为是在该最低水平和高于该最低水平的任何合理水平之间的电流范围。

保持电流水平被定义为其中有足够的电流流过线圈，因此，足够的磁力，以保持接触部件位于其通电状态(假设该接触部件已经在它们的通电状态)的状况。一旦接触部件已经达到其通电状态(通过施加导通电流的线圈)时，即使较低水平的电流流经线圈，产生较小的磁力，接触部件也将保持通电状态。因此，保持电流水平可以被认为是足以保持接触部件在通电状态的最低水平(假定它们已经被通电)，或者它可被认为是在该最低水平至但不等于最低导通电流之间的一个电流范围。

鉴于上面的定义，在驱动电路108与微控制器102的GPIO引脚的三态输出协同操作，以驱动开关电路106和控制通过继电器104的线圈中的电流，为了实现希望的电路性能。现在参考图3，其示出了在系统100内的信号的一些图示。驱动电路108的性能由下文中讨论的一个或多个场景来描绘其特征。

当三态输出的GPIO引脚处于OFF状态时，基本上没有电流流过线圈。如图3的曲线图所示，时间0到t1之间；t6到t7之间；以及t8到之后，GPIO引脚处于OFF状态，继电器的线圈的电流为OFF(约0毫安)，并且没有电力通过继电器104的接触部件传输给交流负载(接触部件是断电的，断开)。

当三态输出的GPIO引脚处于ON状态时，导通电流通过线圈。如图3中示出的曲线图，时间t1到t2之间；t4到t5之间，GPIO引脚处于ON状态，继电器线圈电流等于或高于导通电流水平，电力通过继电器104的接触部件传送到交流负载(接触部件是通电的，闭合)。最小的导通电流水平通常表示为水平i_on，并且在该示例中，实际的线圈中的电流水平高于i_on，大约为33毫安。

当三态输出的GPIO引脚处于FLOAT状态时，有保持电流通过线圈。如图3中的曲线图所示，当时间＝t2到t4；t5到t6；以及t7到]t8，GPIO引脚是在FLOAT状态，继电器线圈中的电流达到或高于最低保持电流，i_hold，但是小于最低导通电流水平i_on。在这个例子中，只有在某些条件下，保持电流水平为约15mA，电力通过继电器104的接触部件传送到交流负载(接触部件通电，闭合)，这将在下面更详细地讨论。

值得注意的是，驱动电路108的第三功能特性，当三态输出的GPIO引脚处于FLOAT状态时，有保持电流通过线圈，这导致了一些非常有利的结果。

该微控制器102可以(有意地)命令GPIO引脚至FLOAT状态，以减少继电器104的线圈内以及开关电路106中的功率耗散。例如，微控制器102可操作以命令GPIO引脚在ON的状态一个足够长的时间周期，以允许接触部件达到它们的通电状态，基本上紧随其后，命令三态输出至FLOAT状态，以保持接触部件在其通电状态。再次参考图3，微控制器102命令GPIO引脚在时间＝t1到t2之间时处于ON状态(这是一个足够长的时间，以允许接触部件达到其通电的，闭合的状态)。在此期间，继电器104的线圈内和开关电路106中的功率耗散等于12*0.033＝396毫瓦。基本上紧随其后(例如，足够快，以便获得一些节能的收益)，在时间＝t2，微控制器102命令GPIO引脚从ON状态转换为FLOAT状态，然后在时间＝t2至t3之间，保持FLOAT状态，此时维持继电器104的接触部件在通电状态。在此期间，继电器104的线圈内和开关电路106中的功率耗散等于12*0.015＝180毫瓦。因此，通过只要可能时就在继电器104的线圈上施加保持电流水平，系统100的整体效率可以显著提高。

值得注意的是，三态输出的GPIO引脚从ON到FLOAT的转换(在时间＝t2时)没有中断至交流负载的电力输出。确切而言，驱动电路108与微控制器102一起，设置线圈中的电流为保持电流的水平，并因此在整个转换期间保持继电器的接触部件在其通电状态。

此外，由微控制器102发出的GPIO引脚至FLOAT状态的任何意外的命令，如因复位或类似的操作，在意外情况之前保持接触部件的状态。例如，考虑在系统100的情况，从时间＝t2直到时间＝t3之前。在那段时间里，微控制器102预期地和故意地命令GPIO引脚至FLOAT状态(从而保持继电器104的接触部件在通电状态)。如果在时间＝t3，微控制器102意外地命令GPIO引脚至FLOAT状态(如因复位)，在整个意外的情况过程中，继电器104的接触部件保持在通电状态(没有变化)。

在意外情况(例如，复位)清除之后，微控制器102可循环一个程序，以确保接触部件处于适当状态。例如，在时间＝t4时，微控制器102可再次操作，命令GPIO引脚在一个足够长的时间周期内为接通(ON)状态，以允许接触部件实现它们的通电状态，并且紧随其后(例如，时间＝t5)，命令三态输出至FLOAT状态，在保持电流水平的较低线圈电流下，维持接触部件在其通电状态。

当GPIO引脚处于OFF状态时，来自微控制器102的使GPIO引脚至FLOAT状态的另一个意外命令可能发生。例如，考虑到系统100从时间＝t6到恰在时间＝t7之前的情况。在此期间，微控制器102已经命令GPIO引脚到OFF状态(没有电流供应通过继电器104的线圈，而且没有电力传送给交流负载)。如果在时间＝t7时，微控制器102意外地命令GPIO引脚至FLOAT的状态(如因复位)，在整个意外情况下，接触部件保持在断电状态下(没有变化)。事实上，由于驱动电路108与微控制器102一起，向线圈提供保持电流水平(它被定义为小于接触部件的最低导通电流)，没有足够的电流和磁力将接触部件从断电状态转换为通电状态。因此，如图3所示，从时间＝t7到t8，线圈电流从约0毫安上升到约15mA，接触部件保持断电状态(断开)，并且没有电力传送到AC负载。

意外的情况(例如，复位)清除之后(在时间＝t8)，微控制器102可以循环一个程序周期，以确保接触部件处于适当状态，在这种情况下是断电状态。因此，在时间＝t8时，微控制器102命令GPIO引脚为OFF状态。

可以通过许多不同的方式来实现系统100的上述功能特点，并且所有这样的实现者被本发明所涵盖。图4中示出的系统100A属于这样的实现。该系统100A包括微控制器102和前面所讨论的继电器电路104。使用一个或多个晶体管106A可以实现开关电路106，其中晶体管可以是任何合适的类型，诸如MOSFET、JFET、BJT，等等。通过举例的方式，示出一个n-沟道MOSFET，这已被发现工作良好。该晶体管106A包括控制端(栅极)，与继电器104的线圈串联耦合至地的一对输出端(漏极和源极)。根据n-沟道MOSFET的特性，漏极和源极之间的电导响应于栅极上的偏置电压。随着栅极电压上升到高于源极电压，通过晶体管106A的漏极至源极路径上的电导增加。微控制器102的三态输出GPIO引脚耦合至与晶体管106A的栅极。这种耦合可以包括直接连接到栅极，或者通过一些电阻，非直接地连接到栅极(图中未示出)。

该驱动电路108包括操作以产生脉冲电压输出信号的脉冲电路110。脉冲电压通过串联电阻R1耦合至下述的至少一个：微控制器102的三态输出的GPIO引脚和晶体管106A的栅极。换言之，R1至晶体管106A的精确的连接可以是直接连接或通过一些其他的阻抗(未示出)。参照图5，其为图示出系统100A中某些信号的图表，脉冲电压的输出可以是具有定义的周期性的矩形波。通过示例的方式，脉冲电压输出可显示为33千赫55/45占空比(应当明了的是，如果需要并且如果合适的话，也可以采用其它的信号特性)。

回到系统100A的操作，当微控制器102的三态输出GPIO引脚在OFF状态时，是基本上没有电流流过线圈的。事实上，在OFF状态，GPIO引脚作为一个低阻抗的电流吸收器，吸收晶体管106A的栅极的所有电荷，使栅极至源极之间为约0伏电压。因此，晶体管106A是OFF状态，没有电流流过线圈，接触部件是断电的。驱动电路108，与微控制器102结合，在时间0到t1之间；t6到t7之间；以及t8和之后，产生图3的曲线图中所示的特性。

当三态输出的GPIO引脚是在ON状态时，有导通电流通过线圈。事实上，在ON状态，GPIO引脚作为一个低阻抗电压源，并且在晶体管106A的栅极上布置电荷，使从栅极至源极具有一定的正电压。作为举例，电压可能是在0.333至约5伏或更高。因此，晶体管106A为ON时，电流流过线圈，接触部件是接通的。与上述讨论的实施例一致，线圈的阻抗以及晶体管106A的源极至漏极之间的电导是这样的，当GPIO引脚上是在ON状态时，穿过线圈的电流为约33毫安。因此，驱动电路108，与微控制器102相结合，在时间t1至t2之间；以及t4至t5之间，产生如图3中的曲线图中所示的特性。

当三态输出的GPIO引脚是在FLOAT状态时，有保持电流通过线圈。当在FLOAT状态时，GPIO引脚的特征是高阻抗输入。因此，GPIO上的电压(因此也是晶体管106A的栅极上的电压)通过微处理器102外部的电路建立起来。假定适当值的R1(就是比GPIO引脚的高阻抗低的足够多)，晶体管106A的栅极上的电压就通过脉冲电路110建立了。因此，如图5中顶部的曲线图所示，栅极电压将脉冲至一个正电压并回到零电压，依照33kHz的45/55占空比。为了该示例，假定脉冲电压输出的高电平在大约15伏特之间。当脉冲电压输出为高(在大约15伏)，晶体管106A的栅极至源极电压与之一样高，并且晶体管106A是导通电流的。在这个过程中，如图5中底部的曲线图所示，线圈中的电流倾斜上升。当脉冲电压输出为低(在大约0伏)时，晶体管106A的栅极至源极电压也为低，并且晶体管106A是断开的。在这个过程中，线圈中的电流是倾斜下降的。只要GPIO引脚在FLOAT状态，线圈中的电流就连续地倾斜上升和下降。线圈的阻抗和晶体管106A的源极至漏极电导可以这样设置，以使当GPIO的引脚在FLOAT状态时，穿过线圈的平均电流值在大约15mA。考虑到来自脉冲电路110的脉冲电压的占空比是45％高和55％低，穿过线圈的电流为0.45*33mA＝14.8mA(也就是，大约15mA)。因此，平均的继电器线圈电流是或者高于最小保持电流，i_hold，并且小于最小导通电流水平，i_on。因此，驱动电路108，与微处理器102结合，在时间＝t2到t4之间；t5到t6之间，以及t7到t8之间，产生图3的曲线图所示的特征。

另外一个系统实施方式示于图6中。该系统100B包括微控制器102和上文讨论的继电器电路104。开关电路106可以使用笫一和第二晶体管106A和106B来实现，其中同样，晶体管可以使用任何合适的类型，如MOSFET、JFET、BJT，等等。作为示例，可以使用n-沟道MOSFET。晶体管106A，106B中的每一个包括控制端(栅极)，以及一对与继电器104的线圈串联耦合至地的输出端(漏极和源极)。阻抗，R，包括在线圈和第一晶体管106A的漏极之间的串联连接中。为了本实施例的目的，假定没有串联阻抗包括在线圈和所述第二晶体管106B的漏极之间，然而，根据本文的描述，对于本领域技术人员来说是显而易见的，这样的阻抗可被包括，只要其比R低的足够多。因此，第一阻抗被定义为线圈的阻抗、阻抗R和第一晶体管106A(当晶体管导通时)的电导的串联的总和。类似地，第二阻抗被定义为线圈的阻抗和所述笫二晶体管106B(同样当该晶体管导通时)的电导的串联的总和。因此，第二阻抗预期实质上低于第一阻抗。

该驱动电路108包括第一和第二比较器电路U1、U2，其可以使用任何已知的和可用的设备来实现。每个比较器电路U1、U2包括正输入(+)，负输入(-)和输出。该输出是响应于各自的正、负输入之间的电压差。例如输出可作为相对较低的阻抗电流吸收器，从而呈现低电压电位，例如，约0伏。相反，在负输入(-)的电压电位低于正输入(+)的电压电位时，输出作为比较低阻抗电压源，从而呈现高电压电位，例如，约1-5伏。在一些实施方式中，比较器电路表现出“集电极开路”输出，这将需要一些上拉电路(例如一个连接到电压源的电阻)，在负输入(-)的电压电位低于正输入(+)的电压电位时，在输出产生所需的高电压电位。

第一分压器包括在电源电压V(约1伏直流)和地之间串联耦合的电阻R3、R4和R5。假设R3＝R4＝R5＝10千欧，第一参考电压定义为跨接在电阻器R5上，其被认为约0.333VDC，第二参考电压定义为跨接在电阻R4和R5上，其被认为约0.667VDC。

第一比较器U1的负输入(-)被耦合到第一参考电压，U1的第一输出被耦合到第一晶体管106A的栅极。第二比较器U2的负输入(-)被耦合到第二参考电压，U2的第二输出被耦合到第二晶体管106B的栅极。

微控制器102的三态输出GPIO引脚被耦合到第一和第二比较器电路U1、U2的正输入。第二分压器，由电阻R1和R2组成，当GPIO引脚处于FLOAT状态时，还在GPIO引脚上建立了第三参考电压。通过示例的方式，第三参考电压位于第一和第二参考电压之间，例如，约0.5伏。

转到系统100B的操作，当微控制器102的三态输出的GPIO引脚在OFF状态时，是基本上无电流流过线圈的。事实上，在OFF状态，GPIO引脚操作为低阻抗电流吸收器，并且将R1和R2之间的电压拉至地，使笫一和第二比较器U1、U2的正输入(+)上约为0伏。这造成了负输入(-)上的正的净电压(0.333伏)，参考第一和第二比较器U1、U2的正输入(+)。这会导致第一和第二晶体管106A，106B的栅极至源极电压为零。晶体管106A和106B是OFF，没有电流流过线圈，并且接触部件断电。因此，驱动电路108，与微控制器102相结合，在时间0至t1之间；t6至t7之间；以及t8至之后，产生图3的曲线图中所示的特性。

当三态输出的GPIO引脚是在ON状态，导通电流通过线圈。事实上，在ON状态，GPIO引脚操作为低阻抗电压源，驱动R1和R2之间的电压为高电压，使笫一和第二比较器U1、U2的正输入(+)上约为1-5伏。这造成了正输入(+)上的正的净电压(至少0.333伏)，相比与第一和第二比较器U1、U2的负输入(-)。这将导致笫一和第二晶体管106A，106B的栅极至源极电压达到某一高电压(例如，1-5伏之间)。因此，晶体管106A和106B为ON，导通电流流过线圈，接触部件是通电的。与上面所讨论的实施例一致，线圈的阻抗和晶体管106A、106B各自的漏极至源极电导的结合，使得当GPIO引脚在ON状态时，通过线圈的电流在约33毫安。因此，驱动电路108，与微控制器102相结合，在时间t1至t2之间；以及t4至t5之间，产生如图3的曲线图中所示的特性。

当三态输出的GPIO引脚处于FLOAT状态，有保持电流通过线圈。当处于FLOAT状态时，GPIO引脚的特点是高阻抗输入。因此，通过笫一分压器建立GPIO上的电压，具体为0.5伏的第一参考电压。这造成了在负输入(-)上的正的净电压(至少0.333伏)，参考第二比较器U2的正输入(+)。因此，第二晶体管106B的栅极至源极电压为零，晶体管106B为OFF，没有电流流过线圈进入到第二晶体管106B的漏极。与此相反，0.5伏的第一参考电压造成了正输入(+)上的正的净电压(至少0.333伏)，相比与第一比较器U1的负输入(-)。这将导致第一晶体管106A的栅极至源极电压达到某一高电压(例如，1-5伏之间)。因此，晶体管106A为ON，保持电流流过线圈，电阻R，以及第一晶体管106A的漏极至源极。因此，假设第一阻抗被适当地设置，当GPIO引脚在FLOAT状态时，通过线圈的电流为约15毫安。换句话说，继电器线圈电流等于或高于最低保持电流，i_hold，并且小于的最小导通电流的水平，i_on。因此，驱动电路108与微控制器102结合，在时间＝t2-t4之间；t5-t6之间；以及t7-t8之间，产生如图3的曲线图显示的特性。

虽然参考特定实施例进行了描述本发明，但是应当明了的是，这些实施例仅仅是说明本发明的原理和应用。因此，应当明了的是可以对说明性的实施例作出许多修改，并且可以设计出其他安排，而不脱离由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。

Claims (20)

1.一种装置，包括：

至少一个机电式继电器，包括线圈和至少一对接触部件，所述接触部件响应于流过所述线圈的电流，在断电状态和通电状态之间转换；

微控制器，具有至少一个操作以产生ON、OFF和FLOAT状态的三态输出；以及

驱动电路，与所述微控制器的所述三态输出协同操作，以控制流过所述继电器的线圈的所述电流使得：

(i)所述三态输出从OFF到FLOAT的转换，在整个转换期间维持所述继电器的所述接触部件在其断电状态；以及

(ii)所述三态输出从ON到FLOAT的转换，在整个转换期间维持所述继电器的所述接触部件在其通电状态。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述驱动电路进一步与所述微控制器的所述三态输出协同操作，以控制流过所述继电器的所述线圈的所述电流使得：

(i)当所述三态输出处于OFF状态时，基本上不存在流过所述线圈的电流；并且

(ii)当所述三态输出处于ON状态时，存在足够大的流过所述线圈的电流和由此而形成的磁力，以从其断电状态转换到其通电状态。

3.如权利要求1所述的装置，其中所述继电器操作以产生作为流过所述线圈的电流的函数的磁力，并且所述至少一对接触部件与所述线圈磁通讯，其中所述接触部件为下述一种：

(i)常开的，由此所述接触部件处于断电状态，其中所述接触部件断开并阻断其间的电流通路，以响应不够大的流过所述线圈的电流和来自所述线圈的磁力；并且由此所述接触部件处于通电状态，其中，所述接触部件闭合并产生其间的电流通路，以响应足够大的流过所述线圈的电流和来自所述线圈的磁力；以及

(ii)常闭的，由此所述接触部件处于断电状态，其中所述接触部件闭合并产生其间的电流通路，以响应不够大的流过所述线圈的电流和来自所述线圈的磁力；并且由此所述接触部件处于通电状态，其中所述接触部件断开并阻断其间的电流通路，以响应足够大的流过所述线圈的电流和来自所述线圈的磁力。

4.如权利要求3所述的装置，其中

为了产生足够大的磁力以将所述接触部件从其断电状态转换到其通电状态，所述继电器的所述线圈需要至少导通电流水平；并且

一旦所述接触部件从其断电状态转换到其通电状态，为了产生足够大的磁力以将所述接触部件保持在其通电状态，所述继电器的所述线圈需要至少保持电流水平，其基本上低于所述导通电流水平。

5.如权利要求4所述的装置，其中当所述三态输出处于ON状态时，所述驱动电路与所述微处理器的所述三态输出协同操作，以控制流过所述继电器的所述线圈的电流的大小，使其至少在所述导通电流水平。

6.如权利要求4所述的装置，其中当所述微处理器的所述三态输出处于FLOAT状态时，所述驱动电路与所述微处理器的所述三态输出协同操作，以控制流过所述继电器的所述线圈的电流的大小，使其位于所述保持电流与小于所述导通电流水平之间的水平。

7.如权利要求6所述的装置，其中所述微处理器操作以命令所述三态输出位于ON状态足够长的时间周期，以允许所述接触部件达到其通电状态，并且紧随其后，命令所述三态输出处于FLOAT状态，以维持所述接触部件在其通电状态。

8.如权利要求4所述的装置，其中当所述微处理器的所述三态输出是下述至少一个时：(i)从OFF到FLOAT的转换；(ii)从ON到FLOAT的转换，所述驱动电路与所述微处理器的所述三态输出协同操作，以控制流过所述继电器的所述线圈的电流，使其位于所述保持电流与小于所述导通电流水平之间的水平。

9.如权利要求1所述的装置，其中所述继电器的所述接触部件耦合在功率源和负载之间。

10.一种装置，包含：

至少一个机电式继电器，包括线圈和至少一对接触部件，所述接触部件响应于流过所述线圈的电流，从断电状态转换到通电状态；

晶体管，具有控制端，以及一对串联耦合至所述继电器的所述线圈的输出端，所述输出端响应于所述控制端的偏压；

微控制器，具有至少一个操作以产生ON、OFF和FLOAT状态的三态输出，所述三态输出耦合至所述晶体管的所述控制端；以及

操作以产生脉冲电压输出信号的脉冲电路，其通过串联阻抗，耦合至下述的至少一个：所述微控制器的所述三态输出，以及所述晶体管的所述控制端。

11.如权利要求10所述的装置，其中所述继电器操作以：

只有当流过所述线圈的电流的大小达到或者超过导通电流水平时，引起所述接触部件从断电状态转换到通电状态，并且

随后只要通过所述线圈的电流的大小达到或者超过保持电流水平，就引起所述接触部件保持通电状态，其中所述保持电流水平实质上小于所述导通电流水平。

12.如权利要求11所述的装置，其中当下述情况时，所述脉冲电压输出对于所述晶体管的所述控制端没有影响：

三态输出处于OFF状态，从而所述三态输出使得所述晶体管的控制端处于偏压下，在该偏压下，经过所述线圈的电流小于所述保持电流水平，并且所述接触部件处于断电状态；以及

三态输出处于ON状态，从而所述三态输出使得所述晶体管的控制端处于偏压下，在该偏压下，经过所述线圈的电流达到或者超过所述导通电流水平，并且所述接触部件处于通电状态。

13.如权利要求11所述的装置，其中当所述三态输出处于FLOAT状态时，所述脉冲电压输出表现为所述晶体管的所述控制端上的脉冲偏压，藉此所述晶体管的所述输出端引起脉冲电流流过所述线圈，该脉冲电流的平均值位于所述保持电流和小于所述导通电流水平之间。

14.如权利要求13所述的装置，其中所述微控制器操作以命令所述三态输出位于ON状态足够长的时间周期，以允许所述接触部件达到其通电状态，并且紧随其后，命令所述三态输出处于FLOAT状态，以维持所述接触部件在其通电状态。

15.如权利要求13所述的装置，其中所述脉冲电压输出表现为所述晶体管的所述控制端的脉冲偏压，并且当所述微控制器的所述三态输出为下面至少一个时：(i)从OFF转换为FLOAT；和(ii)从ON转换为FLOAT，所述晶体管的所述控制端引起所述脉冲电流流过所述线圈。

16.如权利要求10所述的装置，其中所述晶体管是MOSFET、JFET以及双极结型晶体管中的一种。

17.一种装置，包括：

至少一个机电式继电器，包括线圈和至少一对接触部件，所述接触部件响应于流过所述线圈的电流，在断电状态和通电状态之间转换；

第一晶体管，具有控制端以及一对串联耦合至所述继电器的所述线圈的输出端，所述输出端响应于所述控制端的偏压，以及通过所述线圈和所述笫一晶体管的串联的总和定义的第一阻抗；

第二晶体管，具有控制端以及一对串联耦合至所述继电器的所述线圈的输出端，所述输出端响应于所述控制端的偏压，以及通过所述线圈和所述笫二晶体管的串联的总和定义的第二阻抗，所述笫二阻抗实质上低于所述笫一阻抗；

第一比较器电路，具有正输入和负输入以及响应于所述正输入和负输入之间的电压差的第一输出，所述笫一比较器的负输入耦合接至第一参考电压，所述笫一输出耦合至所述笫一晶体管的控制端；

第二比较器电路，具有正输入和负输入以及响应于所述正输入和负输入之间的电压差的第二输出，所述第二比较器的负输入耦合至第二参考电压，其高于所述第一参考电压，所述第二输出耦合至所述笫二晶体管的控制端；

微控制器，具有至少一个操作以产生ON、OFF和FLOAT状态的三态输出，所述三态输出耦合至所述笫一和第二比较器电路的正输入；以及

偏压电路，只有当所述微控制器的所述三态输出处于FLOAT状态时，操作以在笫一和第二比较器电路的正输入上产生第三参考电压，所述笫三参考电压位于所述笫一和第二参考电压之间。

18.如权利要求17所述的装置，其中：

位于ON状态的所述三态输出使得所述第一和第二比较器电路的正输入高于所述笫二参考电压，因此引起笫一和第二输出偏置所述第一和第二晶体管以导通电流；以及

所述第二阻抗足够小，以保证所述第二晶体管引导足够的电流流过所述线圈，引起所述接触部件从断电状态转换为通电状态。

19.如权利要求17所述的装置，其中位于OFF状态的所述三态输出使得所述第一和第二比较器电路的正输入低于第一参考电压，从而引起笫一和第二输出偏置所述笫一和第二晶体管，以导通不够大的电流经过所述线圈，引起所述接触部件从通电状态转换为断电状态。

20.如权利要求17所述的装置，其中：

所述继电器操作以：(i)只有当流过所述线圈的电流的大小达到或者超过导通电流水平时，引起所述接触部件从断电状态转换到通电状态，和(ii)随后只要流过所述线圈的电流的大小达到或者超过保持电流的水平，就引起所述接触部件保持在通电状态，所述保持电流水平实质上低于所述导通电流水平；

处于FLOAT状态的所述三态输出允许所述偏压电路将所述第三参考电压施加在所述笫一和第二比较器电路的正输入上，因此引起所述笫一输出偏置所述第一晶体管，以引导电流流过所述线圈，并且引起所述第二输出偏置所述笫二晶体管；

所述笫一阻抗使得所述笫一晶体管穿过所述线圈的电流的大小拉到位于所述保持电流和小于所述导通电流水平之间。

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