CN110780614A - 电子继电器设备 - Google Patents

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Abstract

一种电子继电器设备，包括控制单元，被配置为从MCU接收信号，并输出用于开关驱动的导通/断开控制信号；充电单元，被配置为响应于控制单元的控制信号提供用于驱动开关单元的驱动电压；开关单元，包括第一和第二开关元件，其通过响应来自充电单元的驱动电压进行导通/断开控制而向负载供电，第一和第二开关元件的源极端彼此连接，并且第一和第二开关元件的栅极端彼此连接；以及钳制单元，设置在开关单元的源极端和栅极端之间，并且被配置为在开关单元的导通状态下恒定地保持源极端和栅极端之间的电压。所述电子继电器设备不依赖于源极端电压并且能够通过栅极端电压和钳位电压稳定地保持导通状态。

Description

电子继电器设备
相关申请的交叉引用
本申请根据35 U.S.C.§119(a)要求于2018年7月26日在韩国知识产权局提交的、申请号为10-2018-0087062的韩国专利申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开的实施例涉及一种电子继电器设备，更具体地，涉及一种能够通过钳位电压稳定地保持导通状态的电子继电器设备。
背景技术
通常，继电器是指具有通过使用预定电信号控制电路的导通和断开的功能的设备。根据工作原理，继电器分为机械继电器和电子继电器。机械继电器是一种使用电磁体以下述方式来控制电路的导通和断开类型的设备：当电流流过电磁体时，电路被连接为粘结到电极的磁接触。
电子继电器作为通过在继电器的电路的开闭部分中使用半导体元件来去除电接触的(非接触)继电器，是下述类型的一种设备：其输入侧和输出侧由半导体构建并因此具备高负载开关功能，所述输入侧和输出侧设置为彼此电隔离，并且当电信号施加到输入侧时，高负载电流流向输出侧时，控制电路的导通和断开。
电子继电器比机械继电器更广泛地使用，因为即使输入信号的幅值非常小，电子继电器也能够控制高负载输出信号，由于没有机械操作部件并且不受冲击、振动、安装位置等的影响，所以有长寿命和高可靠性。
图1是示出了传统电子继电器电路的示例表示的图。
通常，在用于车辆的电子继电器电路中，两个金属氧化物半导体场效应晶体管(metal oxide semiconductor field effect transistor,MOSFET)具有如图1所示的彼此连接的源极端S。
观察传统电子继电器电路的开关元件的操作，在最初导通各个MOSFET并且MOSFET处于断开状态时，因为MOSFET的源极端的电压处于波动状态，所以MOSFET的源极端的电压首先接地(grounded,GND)，并且在准备接地时通过电荷泵电路向栅极端提供电压。在初始导通之后，提供电池电压，因此提供比源极端的12V电压高12V的电压，即，可以将24V电压施加到栅极端以维持导通状态。
然而，由于传统技术具有通过识别MOSFET的源极端的电压将预定电压提供给栅极端的结构，如果在最终导通之后将不稳定的电压施加到电池输入端，源极端电压可能波动，并且栅极端电压也可能波动。因此，由于不能在栅极端和源极端之间提供稳定的电压，所以不能保持继电器导通。也就是说，当发生电池电压和电动机电压的扫描时，可能导致不能执行稳定的继电器导通的问题。
在公开号为10-2014-0073800(2014年6月17日公布)、标题为“电子继电器电路”的韩国未审查专利中公开了本公开的背景技术。
发明内容
各种实施例涉及一种电子继电器设备，其不依赖于源极端电压并且能够通过栅极端电压和钳位电压稳定地保持导通状态。
在一个实施例中，一种电子继电器设备可以包括：控制单元，被配置为从微控制单元(micro control unit,MCU)接收信号，并输出用于开关驱动的导通/断开控制信号；充电单元，被配置为响应于控制单元的控制信号而提供用于驱动开关单元的驱动电压；开关单元，包括第一开关元件和第二开关元件，其通过响应于来自充电单元的驱动电压进行导通/断开控制而向负载供电，第一开关元件和第二开关元件的源极端彼此连接并且第二开关元件和第二开关元件的栅极端彼此连接；钳制单元，设置在开关单元的源极端和栅极端之间，并且被配置为在开关单元的导通状态下恒定地保持源极端和栅极端之间的电压。
电子继电器设备还可包括比较单元，被配置为比较参考电压和从控制单元输入的控制信号的电压，并输出相应状态的信号，其中，如果导通信号从MCU输入到控制单元，当从控制单元向比较单元施加高于参考电压的电压时，比较单元输出高(+)信号，并且如果断开信号从MCU输入到控制单元，当从控制单元向比较单元施加低于参考电压的电压时，比较单元输出低(-)信号。
充电单元可以接收电池电压、泵送电荷、生成要施加到开关单元的栅极电压，并且可以将栅极电压提供给比较单元的高(+)端。
电子继电器设备还可包括第一电阻器，设置在比较单元的输出端和开关单元的栅极端之间；以及第二电阻器，设置在开关单元的源极端和栅极端之间，并与钳制单元并联连接。
在开关单元的初始关闭状态下，如果从MCU输入导通信号，则可以通过第一电阻器将比较单元的高(+)信号施加到开关单元的栅极端，并且当穿过第二电阻器形成阈值电压时，可以导通开关单元。
在开关单元的导通状态下，当电池电压施加到开关单元，并且因此电池电压和开关单元源极端的电压变得相同时，比较单元的高(+)信号可以通过第一电阻器施加到开关单元的栅极端，并且可以通过钳制单元恒定地保持开关单元的源极端和栅极端之间的电压，通过该钳制单元可以保持开关单元的导通状态。
第一开关元件和第二开关元件可以由N型MOSFET实现，第一开关元件的漏极端可以连接到电池侧，并且第二开关元件的漏极端可以连接到负载侧。
钳制单元可以形成为使得两个二极管串联连接并且各个二极管的阴极共同连接。
在根据本公开实施例的电子继电器设备中，可以通过钳位电压在开关元件的源极端和栅极端之间稳定地提供电压。结果，即使当出现例如不稳定的电池电压的干扰时，也可以在不依赖于源极端电压的情况下稳定地保持开关元件的导通状态。
附图说明
图1是示出了传统电子继电器电路的示例表示的示意图；
图2是示出了根据本公开实施例的电子继电器设备电路的示例表示的示意图；和
图3是有助于解释根据本公开实施例的电子继电器设备的示意性流程图的示例的表示。
具体实施方式
在下文中参考示出了本发明的实施例的附图更全面地描述了本发明。然而，本公开可以以许多不同的形式实施，并且不应该被解释为限于本文阐述的实施例。相反，提供这些实施例是为了使本公开彻底，并且将本发明的范围完全传达给本领域技术人员。附图中相同的附图标记表示相同的元件。
从以下参考附图对实施例的描述中，本发明的各种优点和特征以及实现它们的方法将变得显而易见。然而，本发明不限于文本阐述的实施例，而是可以以许多不同的形式实现。可以提供本发明的实施例以使本发明的公开内容完整，并且将本发明的范围完全传达给本领域技术人员，因此本发明将在权利要求的范围内进行限定。贯穿说明书中相同的附图标记表示相同的元件。
除非另外定义，否则应理解，说明书中使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本领域技术人员理解的术语相同的含义。此外，除非明确定义，否则由通用的词典所定义的术语不应理想地或过度地正式定义。应当理解，出于本公开的目的，“X、Y和Z中的至少一个”可以被解释为仅X、仅Y、仅Z，或者X、Y和Z中的两个或更多个的任意组合(例如，XYZ、XYY、YZ、ZZ)。除非特别相反地描述，否则本文所述的术语“包括”、“配置”、“具有”等将被理解为暗示包含所述组件，因此应被解释为包括其他组件，而不是排除任何其他元素。
除非另外定义，否则本文使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本公开所属领域的普通技术人员的通常理解相同的含义。例如在常用词典中定义的那些术语应当被解释为具有与其在相关领域的上下文中的含义一致的含义，并且将不以理想化或过于正式的含义来解释，除非在本文明确地如此定义。
如在相应领域中的传统，一些示例性实施例的功能块、单元和/或模块可以在附图中示出。本领域普通技术人员将理解，这些块、单元和/或模块通过电子(或光学)电路，例如逻辑电路、分立元件、处理器、硬连线电路、存储元件、布线连接等物理地实现。当块、单元和/或模块由处理器或类似硬件实现时，可以使用软件(例如，代码)对它们进行编程和控制，以执行本文所讨论的各种功能。或者，每个块、单元和/或模块可以由专用硬件实现，或者为执行某些功能的专用硬件以及实现其他功能的处理器(例如，一个或多个编程处理器和相关电路)的组合。在不脱离本发明构思的范围的情况下，一些示例性实施例的每个块、单元和/或模块可以在物理上分成两个或更多个交互和离散的块、单元和/或模块。此外，在不脱离本发明构思的范围的情况下，一些示例性实施例的块、单元和/或模块可以物理地组合成更复杂的块、单元和/或模块。
在下文中，将参照附图描述根据本公开的实施例的电子继电器设备。应当注意，附图不是精确的比例，并且仅为了描述方便和清楚起见，可能夸大线的粗细或部件的尺寸。
此外，本文使用的术语是通过考虑本发明的功能来定义的，并且可以根据用户或操作者的习惯或意图来改变。因此，术语的定义应根据本文所述的总体公开内容进行。
图2是示意性地示出根据本公开实施例的电子继电器设备电路的示例表示的图。图3是有助于解释根据本公开实施例的电子继电器设备的示意性流程图的示例的表示。下面将参考附图描述电子继电器设备。
参照图2，根据本公开实施例的电子继电器设备包括控制单元10、比较单元20、充电单元30、钳制单元40、开关单元50、第一电阻器R1和第二电阻器R2。
控制单元10从MCU(微控制单元)(未示出)接收继电器导通/断开信号，并输出用于开关驱动的导通/断开控制信号。控制单元10可以通过连接到下文将描述的比较单元20的高(+)端来输出控制信号。
当从MCU输入导通信号时，控制单元10可以输出电压高于比较单元20的参考电压的控制信号，并且当从MCU输入断开信号时，控制单元10可以输出电压低于比较单元20的参考电压的控制信号。控制单元10可以包括即使在输入电压漂移时，也可以向比较单元20输出稳定输出电压的功能。
比较单元20将参考电压和从控制单元10输入的控制信号的电压进行比较，从而输出相应状态的信号。也就是说，比较单元20可以具有连接参考电压生成元件(未示出)的低(-)端，以及连接控制单元10的高(+)端。
因此，如果从MCU将导通信号输入到控制单元10，则可以从控制单元10向比较单元20施加高于参考电压的电压，而比较单元20可以输出高(+)信号。如果断开信号从MCU将输入到控制单元10，则可以从控制单元10向比较单元20施加低于参考电压的电压，而比较单元20可以输出低(-)信号。
下文将描述的充电单元30可以连接到比较单元20的高(+)端，并且地面(GND)可以连接到比较单元20的低(-)端。当从控制单元10施加高于参考电压的电压时，比较单元20可以输出高信号，即从充电单元30供应的电压，并且当从控制单元10施加低于参考电压的电压时，比较单元20可以输出低信号，即0V的电压。
充电单元30用于响应于控制单元10的控制信号而提供用于驱动下文将描述的开关单元50的驱动电压。该充电单元30包括栅极电压生成部分32和电荷泵部分34。
栅极电压生成部分32产生要施加到开关单元50的栅极端的栅极电压。
电荷泵部分34用于接收电池电压并生成更高电压的电源。
因此，充电单元30可以接收电池电压、泵送电荷、产生要施加到开关单元50的栅极电压，并将该栅极电压提供给比较单元20的高(+)端。例如，在本实施例中，考虑到电池的最大电压为24V，充电单元30可以向比较单元20提供30V的栅极电压，使得当从MCU输入导通信号时，将30V的栅极电压施加到开关单元50的栅极端。
如图2所示，在本实施例中，第一电阻器R1设置在比较单元20的输出端和开关单元50的栅极端之间，第二电阻器R2设置在开关单元50的源极端和栅极端之间，并且与下文将描述的钳制单元40并联连接。
钳制单元40可以设置在开关单元50的源极端和栅极端之间，从而可以在开关单元50的导通状态下恒定地保持源极端和栅极端之间的电压。
钳制单元40形成为使得两个二极管串联连接并且各个二极管的阴极共同连接。在本实施例中，使用齐纳二极管(zener diode)，使得可以稳定地保持开关单元50的栅极端和源极端之间的电压。
开关单元50包括第一开关元件S1和第二开关元件S2，响应于来自充电单元30的驱动信号而对它们进行导通/断开控制并且向负载供电。第一开关元件S1和第二开关元件S2的源极端彼此连接，并且第一开关元件S1和第二开关元件S2的栅极端彼此连接。也就是说，在本实施例中，开关单元50的源极端和栅极端是指公共源极端和公共栅极端，第一开关元件S1和第二开关元件S2通过其彼此连接。
第一开关元件S1和第二开关元件S2由N型MOSFET实现，第一开关元件S1的漏极端连接到电池侧，第二开关元件S2的漏极端连接到负载侧。N型MOSFET在导通时具有比P通道小的内部电阻值，这在发热方面是有利的。
虽然图2示出的虚线指示开关单元50不包括栅极端，应注意，栅极端包括在开关单元50中。同时，第二电阻器R2和钳制单元40也可以包括在开关单元50中。在这种情况下，控制单元10、比较单元20、充电单元30和第一电阻器R1可以大致归类为用于生成用于驱动开关单元50的驱动电压的部件，而钳制单元40、第二电阻器R2和开关单元50可大致归类为用于开关的开关部件。
在本实施例中，由于包括钳制单元40，源极端和栅极端之间的电压可以在开关单元50的导通状态下恒定地保持。结果，可以不依赖于源极端电压而导通/断开开关单元50。
图3是有助于解释根据本公开实施例的电子继电器设备的示意性流程图的示例的表示。下文将描述从MCU输入继电器导通/断开信号并导通/断开开关单元50的过程。
如图3所示，在开关单元50的初始断开状态下，如果从MCU输入导通信号(S10)，则从比较单元20通过第一电阻器R1向开关单元50的栅极端施加高(+)信号(S20)，并且当穿过第二电阻器R2形成阈值电压时，开关单元50导通(S30)。
在开关单元50导通的状态下，当电池电压施加到开关单元50并且因此电池电压和开关单元50的源极端的电压变得相同时，比较单元20的高(+)信号通过第一电阻器R1施加到开关单元50的栅极端，并且通过钳制单元40恒定地保持开关单元50的源极端和栅极端之间的电压，其中通过钳制单元40保持开关单元50的导通状态。
换句话说，将开关单元50导通的过程可以描述为两个步骤。在开关单元50的初始断开状态下，如果从MCU输入继电器导通信号，则控制单元10输出电压高于比较单元20的参考电压的控制信号，因此，例如，30V的电压从高(+)端，即充电单元30，施加到开关单元50的栅极端。在初始状态下，由于开关单元50处于断开状态，源极端的电压处于浮动状态，当电压施加到栅极端时，通过第一电阻器R1和第二电阻器R2的电流流经通过开关单元50的体二极管形成的两个路径。因此，当穿过第二电阻器R2的电压变为，例如大约5V时，开关单元50导通。
如果开关单元50导通，则当施加电池电压时，源极端的电压和电池电压变得相同。此时，通过比较单元20施加的栅极电压，例如16V的电压，通过第一电阻器R1和钳制单元40被钳制在开关单元50的栅极端和源极端之间，作为稳定的电压。
也就是说，在通过识别源极端的电压而将预定电压施加给栅极端以导通开关单元的传统方案中，如果源极端的电压因干扰而波动，则栅极端的电压也可能波动，导致不稳定的导通状态。然而，在本实施例中，即使源极端的电压波动，也可以通过钳制单元40来钳制电压而在开关单元50的栅极端和源极端之间稳定地提供电压，从而可以稳定地保持继电器导通状态。
如果从MCU输入断开信号(S10)，则比较单元20的低(-)端的信号通过第一电阻器R1施加到开关单元50的栅极端。即，当0V被施加到栅极端时，开关单元50断开(S30)。
从以上描述中显而易见的是，在根据本公开实施例的电子继电器设备中，可以通过钳位电压在开关元件的源极端和栅极端之间稳定地提供电压。结果，即使当出现例如不稳定的电池电压的干扰时，也可以在不依赖于源极端电压的情况下稳定地保持开关元件的导通状态。
尽管出于说明性目的公开了本公开的优选实施例，但是本领域技术人员将理解，在不脱离技术方案限定的本公开的范围和精神的情况下，可以进行各种修改、添加和替换。因此，本公开的真正技术范围应由技术方案限定。

Claims (9)

1.一种电子继电器设备，包括：
控制单元，被配置为从MCU(微控制单元)接收信号，并输出用于开关驱动的导通/断开控制信号；
充电单元，被配置为响应于所述控制单元的控制信号，提供用于驱动开关单元的驱动电压；
所述开关单元包括第一开关元件和第二开关元件，其通过响应于来自所述充电单元的驱动电压进行导通/断开控制而向负载供电，所述第一开关元件和所述第二开关元件的源极端彼此连接，并且所述第一开关元件和所述第二开关元件的栅极端彼此连接；和
钳制单元，设置在所述开关单元的源极端和栅极端之间，并且被配置为在所述开关单元的导通状态下恒定地保持所述源极端和所述栅极端之间的电压。
2.根据权利要求1所述的电子继电器设备，还包括：
比较单元，被配置为比较参考电压和从所述控制单元输入的所述控制信号的电压，并输出相应状态的信号。
3.根据权利要求2所述的电子继电器设备，其中，如果从所述MCU向所述控制单元输入导通信号，则当从所述控制单元向所述比较单元施加高于所述参考电压的电压时，所述比较单元输出高(+)信号，并且如果从所述MCU向所述控制单元输入断开信号，则当从所述控制单元向所述比较单元施加低于所述参考电压的电压时，所述比较单元输出低(-)信号。
4.根据权利要求3所述的电子继电器设备，其中，所述充电单元接收电池电压、泵送电荷、生成要施加到所述开关单元的栅极电压，并将所述栅极电压提供给所述比较单元的高(+)端。
5.根据权利要求3所述的电子继电器设备，还包括：
第一电阻器，设置在所述比较单元的输出端和所述开关单元的所述栅极端之间；和
第二电阻器，设置在所述开关单元的所述源极端和所述栅极端之间，并与所述钳制单元并联连接。
6.根据权利要求5所述的电子继电器设备，其中，在所述开关单元的初始断开状态下，如果从所述MCU输入所述导通信号，则通过所述第一电阻器将所述比较单元的高(+)信号施加到所述开关单元的所述栅极端，并且当穿过所述第二电阻器形成阈值电压时，所述开关单元导通。
7.根据权利要求6所述的电子继电器设备，其中，在所述开关单元的导通状态下，当所述电池电压施加到所述开关单元，并因此所述电池电压和所述开关单元的源极端的电压变为相同时，所述比较单元的高(+)信号通过所述第一电阻器施加到所述开关单元的栅极端，并且通过所述钳制单元恒定地保持所述开关单元的源极端和栅极端之间的电压，其中通所述钳制单元保持所述开关单元的导通状态。
8.根据权利要求1所述的电子继电器设备，其中，所述第一开关元件和所述第二开关元件由N型MOSFET实现，所述第一开关元件的漏极端连接到电池侧，而所述第二开关元件的所述漏极端连接到负载侧。
9.根据权利要求1所述的电子继电器设备，其中，所述钳制单元形成为使得两个二极管串联连接，并且各个二极管的阴极共同连接。
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