CN103594288B - 继电器驱动装置及其驱动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是关于一种继电器驱动装置，应用于驱动继电器，其中包含用以输出足以启动继电器的第一驱动电力的第一供电模块、用以输出电压低于第一驱动电力的第二驱动电力的第二供电模块、切换开关及电连接切换开关的驱动控制模块。驱动控制模块控制切换开关将第一供电模块电连接继电器，使继电器接收第一驱动电力而启动，并于继电器启动后，驱动控制模块控制切换开关将第二供电模块电连接继电器，使继电器接收第二驱动电力而运作。如此，利用以两段式驱动控制继电器运作，可减少继电器在激磁后不必要的消耗，以提高电源转换器整体的转换效率。

Description

继电器驱动装置及其驱动方法
技术领域
本发明涉及一种驱动装置，特别是涉及一种继电器驱动装置。
背景技术
在现有交换式电源转换器架构中，一般为抑制开机时所造成的突波电流(Inrush Current)且又有高转换效率需求时，通常会用继电器(Relay)来作切换，也就是让电源转换器在开机时，先让突波电流流经电流抑制元件，例如：电阻、热敏电阻或任何能抑制瞬间大电流的元件，并于突波电流消失后，再让继电器激磁以短路电流抑制元件，如此避免电流抑制元件对电源转换器造成过大的效率损耗。
然而，通过上述方式虽可避免掉电流抑制元件所造成的损耗，但当继电器动作(激磁)时同样会有固定损耗,使得电源转换器的转换效率降低。以现有技术来说，若为了提高电源转换器转换效能，除了改用具有较高转换效能的电路架构或控制法则外，不外乎就是要选用等级较好的功率转换元件，但如此方式会使得材料成本提高。因此，如何在不改用较好的功率转换元件或不变更电源转换器电路架构下(即不提高材料成本下)，降低电源转换器的能源损耗以增加效能遂为本案的发明重点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可在不更换元件及电路架构下，降低继电器的功率损耗的继电器驱动装置。
本发明的另一目的，即在提供一种以两段式驱动的方式控制继电器运作以减少其功率消耗的继电器驱动方法。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种继电器驱动装置，应用于驱动继电器；该继电器驱动装置包含：第一供电模块，用以输出足以启动该继电器的第一驱动电力；第二供电模块，用以输出电压低于该第一驱动电力的第二驱动电力；切换开关，电连接该第一供电模块、该第二供电模块及该继电器；及驱动控制模块，电连接该切换开关，该驱动控制模块控制该切换开关将该第一供电模块电连接该继电器，使该继电器接收该第一驱动电力而启动，于该继电器启动后，该驱动控制模块控制该切换开关将该第二供电模块电连接该继电器，使该继电器接收该第二驱动电力而运作。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的继电器驱动装置，其中：该第二驱动电力的电压等于或大于该继电器的最低激磁电压。
前述的继电器驱动装置，其中：该第二供电模块包括分压电容及并联该分压电容的第一肖特基二极管，该切换开关包括开关晶体管及开关二极管，该驱动控制模块包括一组延迟电路、第一晶体管、第二晶体管、第一电阻、第二电阻及第三电阻，该开关二极管的阳极电连接该第二供电模块，其阴极电连接该继电器，该延迟电路包括延迟电容及并联该延迟电容的延迟电阻，该第一晶体管具有电连接该延迟电路的控制端、电连接该第一电阻的一端的第一端及接地的第二端，该第一电阻的另一端电连接该第一供电模块，该第二晶体管具有电连接该第一晶体管的第一端的控制端、电连接该第三电阻的一端的第一端及接地的第二端，该第三电阻的另一端电连接该第二电阻的一端，该第二电阻的另一端电连接该第一供电模块，该开关晶体管具有电连接该第三电阻的另一端的控制端、电连接该第一供电模块的第一端，及电连接该继电器的第二端。
前述的继电器驱动装置，其中：该第一晶体管为N型金氧半场效应晶体管，其控制端为栅极，其第一端为漏极，其第二端为源极，该第二晶体管为NPN双载子接面晶体管，其控制端为基极，其第一端为集电极，其第二端为发射极，该开关晶体管为PNP双载子接面晶体管，其控制端为基极，其第一端为发射极，其第二端为集电极。
前述的继电器驱动装置，其中：该驱动控制模块包括第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管、第六晶体管、第七晶体管、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻及第二肖特基二极管，该切换开关包括第一二极管及第二二极管，该第三晶体管具有接收电源信号的控制端、电连接该第四电阻的一端的第一端，及接地的第二端,该第四电阻的另一端电连接该第一供电模块，该第四晶体管具有接收延迟信号的控制端、电连接该第三晶体管的第一端的第一端，及接地的第二端,该第五晶体管具有电连接该第三晶体管的第一端的控制端、电连接该第六电阻的一端的第一端，及接地的第二端，该第六电阻的另一端电连接该第五电阻的一端，该第五电阻的另一端电连接该第一供电模块，该第六晶体管具有电连接该第六电阻的另一端的控制端、电连接该第一供电模块的第一端，及电连接该第七电阻的一端的第二端，该第七电阻的另一端电连接该第二肖特基二极管而接地，该第七晶体管具有电连接该第七电阻的另一端的控制端、电连接该第六晶体管的第二端的第一端，及电连接该第一二极管的阳极的第二端，该第一二极管的阴极电连接该继电器，该第二二极管的阳极电连接该第二供电模块，阴极电连接该继电器。
前述的继电器驱动装置，其中：该第三晶体管为N型金氧半场效应晶体管，其控制端为栅极，其第一端为漏极，其第二端为源极，该第四晶体管为N型金氧半场效应晶体管，其控制端为栅极，其第一端为漏极，其第二端为源极，该第五晶体管为NPN双载子接面晶体管，其控制端为基极,其第一端为集电极，其第二端为发射极，该第六晶体管为PNP双载子接面晶体管，其控制端为基极，其第一端为发射极，其第二端为集电极，该第七晶体管为NPN双载子接面晶体管，其控制端为基极，其第一端为集电极，其第二端为发射极。
本发明的目的及解决其技术问题另外还采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种继电器驱动方法，于继电器驱动装置中执行，该继电器驱动装置与继电器电连接；该继电器驱动方法包含以下步骤：(A)令该继电器驱动装置输出第一驱动电力，使该继电器接收该第一驱动电力而启动；及(B)于该继电器启动后，令该继电器驱动装置输出第二驱动电力，使该继电器接收该第二驱动电力而运作。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的继电器驱动方法，其中：该第二驱动电力的电压等于或大于该继电器的最低激磁电压。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案,本发明继电器驱动装置及其驱动方法可达到相当的技术进步性及实用性，并具有产业上的广泛利用价值，其至少具有下列优点：在不改用较好的功率转换元件或不变更电源转换器的电路架构下(即不提高材料成本下)，以两段式驱动的方式改善继电器的激磁方式，以减少继电器在激磁后的功率消耗，进而降低电源转换器的能源损耗。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图,详细说明如下。
附图说明
图1是说明本发明继电器驱动装置的电路方框图；
图2是说明本发明继电器驱动方法的流程图；
图3是说明第一供电模块及第二供电模块的输出电压及电流、驱动控制模块的输入信号及输出信号，以及进入继电器的电压与电流的曲线图；
图4是说明本实施例继电器驱动装置的一种电路结构图；
图5是说明本实施例继电器驱动装置的另一种电路结构图；
图6是说明电源信号、第一供电模块及第二供电模块的输出电压、驱动控制模块的输出信号及延迟信号的曲线图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的继电器装置及其驱动方法其具体实施方式、结构、方法、步骤、特征及其功效，详细说明如后。
请参阅图1，为本发明继电器驱动装置100的较佳实施例，该继电器驱动装置100可应用于任何具有继电器210切换功能的电源转换器200，在本实施例中，继电器210的一侧电连接继电器驱动装置100，其另一侧则电连接电源转换器200的电源转换电路220，本继电器驱动装置100系以两段式驱动的方式控制继电器210运作，以减少继电器210在激磁后不必要的消耗，进而提高电源转换器200整体的转换效率。
继电器驱动装置100包含第一供电模块10、第二供电模块20、切换开关30及驱动控制模块40。
第一供电模块10用以输出足以启动继电器210的第一驱动电力V01。第二供电模块20用以输出电压低于第一驱动电力V01的第二驱动电力V02，第一驱动电力V01的电压等于或大于最低可启动继电器210的电压，而第二驱动电力V02的电压则等于或大于继电器210的最低激磁电压。
切换开关30可为任何用作电压切换的机械式开关元件或半导体元件，例如：金氧半场效应晶体管(MOSFET)、双载子接面晶体管(BJT)、二极管(Diode)、绝缘闸双载子晶体管(IGBT)等，切换开关30电连接第一供电模块10、第二供电模块20及继电器210，用以切换使第一供电模块10与继电器210电连接，或使第二供电模块20与继电器210电连接。驱动控制模块40电连接切换开关30，用以控制切换开关30的切换状态。
配合参阅图2及图3，当使用者启动系统电源(例如：按下电源键)时，第一供电模块10会输出第一驱动电力V01，第二供电模块20会输出第二驱动电力V02，驱动控制模块40会接收电源信号PS_ON，并根据该电源信号PS_ON输出控制信号Vd，其电压准位为Low，使得切换开关30将第一供电模块10与继电器210电连接，第一供电模块10得输出第一驱动电力V01至继电器210，以启动继电器210，如步骤S10。
于继电器210启动后或启动一段时间后，驱动控制模块40将所输出的控制信号Vd的电压准位从Low转为High，使得切换开关30将第二供电模块20与继电器210电连接，以改由第二供电模块20输出的第二驱动电力V02供应继电器210的运作，如步骤S20。当然，驱动控制模块40输出的控制信号Vd，其电压准位的High/Low转换，对于切换开关30的控制，并不限于本实施例所提及。
换句话说，本继电器驱动装置100会两段式驱动的方式控制继电器210运作，使得继电器210在第一次激磁时得有较高电压的驱动电力(即第一驱动电力V01)激磁，并于继电器210激磁完成后，改由较低电压的驱动电力(即第二驱动电力V02)来维持激磁的动作，如此则可节省继电器210在激磁完成后所消耗的瓦数，进而提高电源转换器200整体的转换效率。
补充说明的是，图3中I01是第一供电模块10所输出的电流，I02是第二供电模块20所输出的电流，Vr及Ir则分别为进入继电器210的电压及电流。由图3可知，继电器210在开始启动阶段时，其电压会等于第一驱动电力V01，直到继电器210启动后，其电压会降为第二驱动电力V02，以减少继电器210激磁后不必要的消耗。
下表1是说明继电器210使用本发明继电器驱动方法前后的激磁损耗功率比较，其中，第一驱动电力V01是设定为12伏特，第二驱动电力V02是设定为5伏特，系统电源为250瓦特(W)，各参数的单位皆为瓦特(W)。
表1
由表1可知，借由本继电器驱动装置100的两段式驱动控制，可使继电器210在20%、50%及100%的负载下都可减少0.256W的转换损失，若换算成转换效率来看，其在20%、50%及100％的转换效率也将可分别得到0.411%、0.167%及0.078%的改善。
请参阅图4，为本实施例第二供电模块20、切换开关30及驱动控制模块40的细部电路。其中，第二供电模块20包括分压电容Cv及并联分压电容Cv的第一肖特基二极管ZD1。切换开关30包括开关晶体管Qs及开关二极管Ds。驱动控制模块40包括一组延迟电路41、第一晶体管Q1、第二晶体管Q2、第一电阻R1、第二电阻R2及第三电阻R3。
延迟电路41接收系统电力IC Internal Vref且包括延迟电容Cd及并联延迟电容Cd的延迟电阻Rd。第一晶体管Q1为N型金氧半场效应晶体管，其栅极(控制端)电连接延迟电路41，漏极(第一端)电连接第一电阻R1的一端，源极(第二端)接地。第一电阻R1的另一端电连接第一供电模块10。第二晶体管Q2为NPN双载子接面晶体管，其基极(控制端)电连接第一晶体管Q1的漏极，集电极(第一端)电连接第三电阻R3的一端，发射极(第二端)接地。第三电阻R3的另一端电连接第二电阻R2的一端，第二电阻R2的另一端电连接第一供电模块10。开关晶体管Qs为PNP双载子接面晶体管，其基极(控制端)电连接第三电阻R3的另一端，发射极(第一端)电连接第一供电模块10，集电极(第二端)电连接继电器210的一侧。开关二极管Ds的阳极电连接第二供电模块20，阴极电连接继电器210的一侧。
当使用者启动系统电源后，第一供电模块10会输出第一驱动电力V01，并导通第二晶体管Q2及开关晶体管Qs，使得继电器210可接收第一驱动电力V01而启动。另外，驱动控制模块40于系统电源启动后接收电源信号PS_ON，并6通过延迟电路41延迟一段时间后，导通第一晶体管Q1，使得第二晶体管Q2及开关晶体管Qs关闭，此时，开关二极管Ds将会导通，使继电器210接收第二驱动电力V02而运作，以达成本案两段式电压驱动继电器210的功效。
特别说明的是，本实施例的驱动控制模块40是采用RC延迟的方式控制切换开关30，且延迟电路41的延迟时间应大于继电器210启动所需的时间，如此才能确保第二驱动电力V02输出至继电器210时，继电器210已经启动。当然，第一供电模块10、第二供电模块20、切换开关30及驱动控制模块40的细部电路并不以本实施例为限，也可以如图5所示的电路，同样能达到本案两段式电压驱动继电器210的功效。
在图5中，驱动控制模块40包括第三晶体管Q3、第四晶体管Q4、第五晶体管Q5、第六晶体管Q6、第七晶体管Q7、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7及第二肖特基二极管ZD2。切换开关30包括第一二极管D1及第二二极管D2。
第三晶体管Q3为N型金氧半场效应晶体管，其栅极(控制端)接收电源信号PS_ON，漏极(第一端)电连接第四电阻R4的一端，源极(第二端)接地。第四电阻R4的另一端电连接第一供电模块10。第四晶体管Q4为N型金氧半场效应晶体管，其栅极(控制端)接收延迟信号PGO，漏极(第一端)电连接第三晶体管Q3的漏极，源极(第二端)接地。第五晶体管Q5为NPN双载子接面晶体管，其基极(控制端)电连接第三晶体管Q3的漏极，集电极(第一端)电连接第六电阻R6的一端，发射极(第二端)接地。第六电阻R6的另一端电连接第五电阻R5的一端，第五电阻R5的另一端电连接第一供电模块10。第六晶体管Q6为PNP双载子接面晶体管，其基极(控制端)电连接第六电阻R6的另一端，发射极(第一端)电连接第一供电模块10，集电极(第二端)电连接第七电阻R7的一端。第七电阻R7的另一端通过第二肖特基二极管ZD2而接地。第七晶体管Q7为NPN双载子接面晶体管，其基极(控制端)电连接第七电阻R7的另一端，集电极(第一端)电连接第六晶体管Q6的集电极，发射极(第二端)电连接切换开关30的第一二极管D1。
第一二极管D1的阳极电连接第七晶体管Q7的发射极，阴极电连接继电器210的一侧。第二二极管D2的阳极电连接第二供电模块20，阴极电连接继电器210的一侧。
配合参阅图6，在本实施例中，延迟电力PGO会于电源信号PS_ON启动后延迟一特定时间
当使用者启动系统电源后(即电源信号PS_ON为低准位)，第一供电模块10会输出第一驱动电力V01，并导通第六晶体管Q6及第七晶体管Q7，使得继电器210可接收第一驱动电力V01而启动，此时，第三晶体管Q3及第四晶体管Q4会分别因电源信号PS_ON及延迟信号PGO为低准位而关闭。在本实施例中，延迟信号PGO会于系统电源启动后一段时间(100-500ms)而上升为高准位，使得第四晶体管Q4开启并关闭第五晶体管Q5，造成第六晶体管Q6及第七晶体管Q7也将会关闭，此时切换开关30将会切换以第二供电模块20输出，使继电器210接收第二驱动电力V02而运作，以达成本案两段式电压驱动继电器210的功效。
综上所述，因此，本发明继电器驱动装置100可在不改用较好的功率转换元件或不变更电源转换器200的电路架构下(即不提高材料成本下)，以两段式驱动的方式改善继电器210的激磁方式，如此则可在不提高制造成本下减少继电器210在激磁后的功率消耗，进而降低电源转换器200的能源损耗，所以确实能达成本发明的目的。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种继电器驱动装置，应用于驱动继电器；其特征在于：
该继电器驱动装置包含：
第一供电模块，用以输出足以启动该继电器的第一驱动电力；
第二供电模块，用以输出电压低于该第一驱动电力的第二驱动电力，且该第一供电模块的输出端及该第二供电模块的输出端共同电性连接该继电器的输入端；
切换开关，电连接该第一供电模块、该第二供电模块及该继电器；及
驱动控制模块，电连接该切换开关，该驱动控制模块控制该切换开关将该第一供电模块电连接该继电器，使该继电器接收该第一驱动电力而启动，于该继电器启动后接收一控制信号，当该控制信号改变不同的准位时，该驱动控制模块控制该切换开关将该第二供电模块电连接该继电器，使该继电器接收该第二驱动电力而运作。
2.根据权利要求1所述的继电器驱动装置，其特征在于：该第二驱动电力的电压等于或大于该继电器的最低激磁电压。
3.根据权利要求1所述的继电器驱动装置，其特征在于：该第二供电模块包括分压电容及并联该分压电容的第一肖特基二极管，该切换开关包括开关晶体管及开关二极管，该驱动控制模块包括一组延迟电路、第一晶体管、第二晶体管、第一电阻、第二电阻及第三电阻，该开关二极管的阳极电连接该第二供电模块，其阴极电连接该继电器，该延迟电路包括延迟电容及并联该延迟电容的延迟电阻，该第一晶体管具有电连接该延迟电路的控制端、电连接该第一电阻的一端的第一端及接地的第二端，该第一电阻的另一端电连接该第一供电模块，该第二晶体管具有电连接该第一晶体管的第一端的控制端、电连接该第三电阻的一端的第一端及接地的第二端，该第三电阻的另一端电连接该第二电阻的一端，该第二电阻的另一端电连接该第一供电模块，该开关晶体管具有电连接该第三电阻的另一端的控制端、电连接该第一供电模块的第一端，及电连接该继电器的第二端。
4.根据权利要求3所述的继电器驱动装置，其特征在于：该第一晶体管为N型金氧半场效应晶体管，其控制端为栅极，其第一端为漏极，其第二端为源极，该第二晶体管为NPN双载子接面晶体管，其控制端为基极，其第一端为集电极，其第二端为发射极，该开关晶体管为PNP双载子接面晶体管，其控制端为基极，其第一端为发射极，其第二端为集电极。
5.根据权利要求1所述的继电器驱动装置，其特征在于：该驱动控制模块包括第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管、第六晶体管、第七晶体管、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻及第二肖特基二极管，该切换开关包括第一二极管及第二二极管，该第三晶体管具有接收电源信号的控制端、电连接该第四电阻的一端的第一端，及接地的第二端，该第四电阻的另一端电连接该第一供电模块，该第四晶体管具有接收延迟信号的控制端、电连接该第三晶体管的第一端的第一端，及接地的第二端，该第五晶体管具有电连接该第三晶体管的第一端的控制端、电连接该第六电阻的一端的第一端，及接地的第二端，该第六电阻的另一端电连接该第五电阻的一端，该第五电阻的另一端电连接该第一供电模块，该第六晶体管具有电连接该第六电阻的另一端的控制端、电连接该第一供电模块的第一端，及电连接该第七电阻的一端的第二端，该第七电阻的另一端电连接该第二肖特基二极管而接地，该第七晶体管具有电连接该第七电阻的另一端的控制端、电连接该第六晶体管的第二端的第一端，及电连接该第一二极管的阳极的第二端，该第一二极管的阴极电连接该继电器，该第二二极管的阳极电连接该第二供电模块，阴极电连接该继电器。
6.根据权利要求5所述的继电器驱动装置，其特征在于：该第三晶体管为N型金氧半场效应晶体管，其控制端为栅极，其第一端为漏极，其第二端为源极，该第四晶体管为N型金氧半场效应晶体管，其控制端为栅极，其第一端为漏极，其第二端为源极，该第五晶体管为NPN双载子接面晶体管，其控制端为基极，其第一端为集电极，其第二端为发射极，该第六晶体管为PNP双载子接面晶体管，其控制端为基极，其第一端为发射极，其第二端为集电极，该第七晶体管为NPN双载子接面晶体管，其控制端为基极，其第一端为集电极，其第二端为发射极。
7.一种继电器驱动方法，于继电器驱动装置中执行，该继电器驱动装置与继电器电连接，该继电器驱动装置包含用以输出足以启动该继电器的第一驱动电力的第一供电模块及用以输出电压低于第一驱动电力的第二驱动电力的第二供电模块，且该第一供电模块的输出端及该第二供电模块的输出端共同电性连接该继电器的输入端；其特征在于：
该继电器驱动方法包含以下步骤：
(A)令该继电器驱动装置输出第一驱动电力，使该继电器接收该第一驱动电力而启动；及
(B)于该继电器启动后，接收控制信号，当该控制信号改变不同的准位时，令该继电器驱动装置输出第二驱动电力，使该继电器接收该第二驱动电力而运作。
8.根据权利要求7所述的继电器驱动方法，其特征在于：该第二驱动电力的电压等于或大于该继电器的最低激磁电压。
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