CN113394053B - 车载继电器低边驱动电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种车载继电器低边驱动电路。其包括继电器、三极管镜像电路、时变电阻电路、二极管、可控开关、主控单元；继电器包括常开触点、线圈；三极管镜像电路包括输入端、第一输出端、第二输出端；输入端与常开触点电连接，第一输出端、二极管的负极与线圈的一端电连接；时变电阻电路的一端与第二输出端电连接；可控开关包括第一端、第二端和控制端；第一端与时变电阻电路的另一端电连接，第二端、二极管的正极与线圈的另一端电连接；主控单元与控制端电连接。本发明利用三极管镜像电路构成电流负反馈电路，减小继电器线圈电流随电压升高的幅度，降低线圈过热风险。
Description
技术领域
本发明涉及车身控制技术领域，特别涉及一种车载继电器低边驱动电路。
背景技术
电磁继电器作为一种电子控制器件已得到广泛应用。它由控制系统(铁芯、线圈、簧片)和被控制系统(衔铁、常开触点、常闭触点、簧片触点)组成，具有用较小的电流去控制较大电流的功能。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点(常开触点)吸合。触点能否吸合通常取决于流过继电器线圈的电流。在汽车领域，车载继电器(电磁型继电器)被广泛应用于车身控制模块来驱动车门、车窗等电机。目前广泛采用的车载继电器低边驱动电路示意图参照图1所示：车身控制器(BCM)的电源端口(KL30)通过电源线(Rwire)连接整车电池(Battery)的正极，通过信号地线(SGND)回到整车电池(Battery)的负极。电源端口(KL30)一端连接到继电器(RELAY)的常开触点，另一端通过反向保护二极管(Diode)连到继电器的线圈。线圈的另一端连到达林顿三极管(Darlngtn)的集电极端；达林顿三极管的发射极端通过信号地线回到整车电池(Battery)的负极。达林顿三极管的基极端连到中央处理器(MCU)。
其工作原理为：当中央处理器(MCU)输出高电平(5V)，使达林顿三极管导通，进而线圈通电产生电磁力，使衔铁(OR)从常闭触点(PGND)切换到常开触点(KL30)。随后电机(M)开始工作。当中央处理器(MCU)输出低电平(0V)，使达林顿三极管截至，进而线圈断电失去电磁力，弹簧使衔铁(OR)从常开触点(KL30)拉回到常闭触点(PGND)，随后电机(M)停止工作。
上述驱动电路主要存在以下几个问题：
1、继电器的线圈电流随电压升高而增加，特别在高温(85℃)条件下，存在线圈过热的风险。比如：Vbattery＝16V；Vdiode＝0.7V；Vdarlngtn＝0.8V；Rcoil＝160*1.1；通过公式1可得Pcoil＝1.2W，大于线圈的额定功率0.9W。其中，Vbattery表征整车电池(Battery)的输出电压，Vdiode表征反向保护二极管(Diode)的导通电压，Vdarlngtn表征达林顿三极管(Darlngtn)的导通电压，Rcoil表征线圈的电阻，Pcoil表征线圈的功率。
2、在高温(85℃)低压(9V)条件下，因反向保护二极管(Diode)正向导通电压和达林顿三极管(Darlngtn)导通电压的存在，同时受线圈电阻值随温度升高而变大的影响，导致线圈电流变小，存在触点无法吸合的风险。比如：Vbattery＝9V；Vdiode＝0.7V；Vdarlngtn＝0.8V；Rcoil＝160*1.1；通过公式2可得Icoil＝43mA，小于继电器线圈吸合电流45mA。其中，Icoil表征线圈的电流。
3、随着科技的进步和降本增效压力，各类器件都在向小型化发展，小型化的车载继电器已陆续上市。目前已知最新的小型化。车载继电器为满足吸合电流，都提高了吸合电压值，与此同时由于封装的减小导致散热变差，因此线圈过热和高温低压无法吸合的风险势必增加。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术的缺陷，提供一种车载继电器低边驱动电路。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
本发明提供一种车载继电器低边驱动电路，包括继电器、三极管镜像电路、时变电阻电路、二极管、可控开关、主控单元；
继电器包括衔铁、常开触点、常闭触点、线圈；
三极管镜像电路包括输入端、第一输出端、第二输出端；
输入端与常开触点电连接，第一输出端、二极管的负极与线圈的一端电连接；
时变电阻电路的一端与第二输出端电连接；
可控开关包括第一端、第二端和控制端；第一端与时变电阻电路的另一端电连接，第二端、二极管的正极与线圈的另一端电连接；
主控单元与控制端电连接。
进一步的，三极管镜像电路包括第一电阻、第二电阻、第一三极管、第二三极管；
第一电阻的一端与第二电阻的一端电连接并作为输入端；
第一电阻的另一端与第一三极管的发射极电连接；
第二电阻的另一端与第二三极管的发射极电连接；
第一三极管的基极、第二三极管的基极与第一三极管的集电极电连接并作为第二输出端；
第二三极管的集电极作为第一输出端。
进一步的，时变电阻电路包括第三电阻、第四电阻、第一电容；
第三电阻的一端与第四电阻的一端电连接并作为时变电阻电路的一端；
第四电阻的另一端与第一电容的一端电连接，第一电容的另一端与第三电阻的另一端电连接并作为时变电阻电路的另一端。
进一步的，可控开关包括第三三极管；
第三三极管的基极作为控制端，第三三极管的集电极作为第一端，第三三极管的发射极作为第二端。
进一步的，第二端接地。
进一步的，第一三极管和第二三极管为PNP三极管。
进一步的，第三三极管为NPN三极管。
进一步的，第一电阻的阻值与第二电阻的阻值的比值不小于10。
进一步的，主控单元包括MCU(微控制器)。
本发明还提供一种车载继电器低边驱动电路，包括电源和本发明的车载继电器低边驱动电路，常开触点、常闭触点和第二端与电源的负极电连接；
衔铁用于与电机的一端电连接，电源的正极用于与电机的另一端电连接。
本发明的积极进步效果在于：本发明利用三极管电流镜像原理，利用三极管镜像电路构成电流负反馈电路，减小继电器线圈电流随电压升高的幅度，降低线圈过热风险。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为现有技术中的车载继电器低边驱动电路的结构示意图。
图2为本发明的一较佳实施例的车载继电器低边驱动电路的结构示意图。
图3为本发明的一较佳实施例的车载继电器低边驱动电路的局部的结构示意图。
图4为本发明的一较佳实施例的车载继电器低边驱动电路的第一三极管电流和第二三极管电流的变化关系示意图。
图5为本发明的一较佳实施例的车载继电器低边驱动电路的结构示意图。
图6为本发明的一较佳实施例的车载继电器低边驱动电路与现有技术中的车载继电器低边驱动电路的电流仿真示意图。
图7为本发明的一较佳实施例的车载继电器低边驱动电路与现有技术中的车载继电器低边驱动电路的功率仿真示意图。
具体实施方式
下面举一较佳实施例，并结合附图来更清楚完整地说明本发明。
本实施例提供一种车载继电器低边驱动电路。参照图2、图3，该车载继电器低边驱动电路包括继电器RELAY、三极管镜像电路102、时变电阻电路103、二极管D1、可控开关104、主控单元。
继电器RELAY包括衔铁OR、常开触点KL30、常闭触点PGND、线圈101；三极管镜像电路102包括输入端、第一输出端、第二输出端；输入端与常开触点KL30电连接，第一输出端、二极管的负极与线圈101的一端电连接；时变电阻电路103的一端与第二输出端电连接；可控开关104包括第一端、第二端和控制端；第一端与时变电阻电路103的另一端电连接，第二端、二极管的正极与线圈101的另一端电连接；主控单元与控制端电连接。
作为一种可选的实施方式，主控单元采用MCU实现。主控单元控制可控开关104的导通或断开。
作为一种可选的实施方式，三极管镜像电路102包括第一电阻R1、第二电阻R2、第一三极管T1、第二三极管T2；第一电阻R1的一端与第二电阻R2的一端电连接并作为输入端；第一电阻R1的另一端与第一三极管T1的发射极电连接；第二电阻R2的另一端与第二三极管T2的发射极电连接；第一三极管T1的基极、第二三极管T2的基极与第一三极管T1的集电极电连接并作为第二输出端；第二三极管T2的集电极作为第一输出端。第一三极管T1和第二三极管T2为PNP三极管。
作为一种可选的实施方式，时变电阻电路103包括第三电阻R3、第四电阻R4、第一电容C1；第三电阻R3的一端与第四电阻R4的一端电连接并作为时变电阻电路103的一端；第四电阻R4的另一端与第一电容C1的一端电连接，第一电容C1的另一端与第三电阻R3的另一端电连接并作为时变电阻电路103的另一端。
作为一种可选的实施方式，可控开关104包括第三三极管T3；第三三极管T3的基极作为控制端，第三三极管T3的集电极作为第一端，第三三极管T3的发射极作为第二端。第三三极管T3为NPN三极管。
具体实施时，第二端接地。
第一电阻R1、第二电阻R2、第一三极管T1和第二三极管T2组成三极管镜像电路。第三电阻R3、第四电阻R4和第一电容C1组成时变电阻电路。二极管D1和线圈组成感性能量泄放电路。第三三极管T3与MCU组成镜像电路的控制电路。
当MCU输出的高电平(5V)施加到第三三极管T3的基极后，第三三极管T3的集电极和发射极饱和导通(VT3ce≤0.3V，VT3ce表征第三三极管T3的集电极和发射极饱和电压)。
第三三极管T3导通时，由于第一电容C1未充电，近似处于短路状态，时变电路阻值等于第三电阻R3和第四电阻R4的并联电阻。因此，最初流入第一三极管T1发射极的电流IT1start参照公式3所示：
其中，VT1eb表征第一三极管T1发射极与基极的电压。
随着第一电容C1充电的进行，流过第一电容C1和第四电阻R4的电流逐渐变小直至为0。因此，最终流入第一三极管T1发射极的电流IT1end参照公式4所示：
根据三极管电流镜像原理，可知第一三极管T1和第二三极管T2发射极之间的电流关系参照公式5所示：
IT1×R1＝IT2×R2 (公式5)。
根据公式5，可知最初流入第二三极管T2发射极的电流IT2start参照公
式6所示：
最终流入第二三极管T2发射极的电流IT2 end参照公式7所示：
作为一种可选的实施方式，第一电阻的阻值与第二电阻的阻值的比值不小于10，也即，第一R1的阻值为第二电阻R2的阻值的10倍以上。这样就可实现用较小的第一三极管T1电流来控制较大的第二三极管T2电流。第一三极管T1电流I1和第二三极管T2电流I2的变化关系参照图4所示。其中，横轴表征时间(T)，单位为ms(毫秒)，纵轴表征电流(I)，单位为mA(毫安)。
由于第二三极管T2的集电极与线圈的一端相连，根据图4可知，流过线圈的电流也是由大变小，最后达到稳定状态。根据电磁继电器，在驱动继电器线圈时，为了使衔铁从常闭触点切换到常开触点，需要向继电器线圈施加大电流产生足够的电磁力来移动衔铁。另一方面，在衔铁切换到常开触点且处于稳定的状态，只需较小的电流通过继电器线圈即以实现维持稳定状态。因此，基于该三极管镜像电路，该车载继电器低边驱动电路既满足了线圈开始的最大驱动电流需求，又减少了线圈在稳定状态下的功耗，降低了线圈过热风险。
当MCU输出由高电平(5V)变为低电平，施加到第三三极管T3的基极后，第三三极管T3的集电极和发射极由饱和导通变为截至。由于第三三极管T3截至，第一三极管T1和第二三极管T2的电流也被阻断，第一电容C1通过第三电阻R3和第四电阻R4形成回路进行放电。由于第一三极管T1电流被阻断，线圈存储的感性能量通过二极管D1形成闭环泄放回路进行泄放。
本实施例还提供一种车载继电器低边驱动电路。参照图5，该车载继电器低边驱动电路包括电源Battery和本实施例的车载继电器低边驱动电路，常开触点、常闭触点和第二端与电源的负极电连接；衔铁用于与电机M的一端电连接，电源的正极用于与电机M的另一端电连接。
在一种可选的实施方式中，设置第一电阻R1的阻值为220Ω，第二电阻R2的阻值为15Ω，第三电阻R3的阻值为3300Ω，第四电阻R4的阻值为2200Ω，第一电容的电容值为6.8μF，第一三极管T1和第二三极管T2均采用BC807(一种三极管)，第三三极管T3采用BCR133W(一种三极管)；继电器RELAY采用EX2-2U1L-W(一种继电器)。
利用Pspice(一种方针软件)将该种实施方式的车载继电器低边驱动电路与图1所示的现有技术中的车载继电器低边驱动电路进行仿真对比。
基于高温(85℃)低压(Vbattery＝9V，Vbattery为电源Battery的输出电压)条件，仿真结果参照图6所示。其中，横轴表征时间，单位为s(秒)，纵轴表征电流，单位为mA。根据图6所示波形可知现有技术中的车载继电器低边驱动电路的线圈驱动电流I(R14)持续为40mA，小于继电器线圈吸合电流45mA；而本实施例的车载继电器低边驱动电路的线圈驱动电流I(R7)在使能后的20ms内大于继电器线圈吸合电流，并逐步减小直到稳定电流25mA左右，但仍大于最小维持电流20mA。
通过对比可知，本实施例的车载继电器低边驱动电路消除了高温低压条件下继电器无法吸合的风险。
基于高温(85℃)高压(Vbattery＝16V)条件，仿真结果参照图7所示。其中，横轴表征时间，单位为s，纵轴表征功率，单位为W(瓦)。根据图7所示波形可知，现有技术中的车载继电器低边驱动电路的线圈的稳态功率W(R14)为1.1W，大于线圈的额定功耗(0.9W)；本实施例的车载继电器低边驱动电路的线圈稳态功率W(R7)为0.6W左右，小于线圈的额定功耗。
通过对比可知，本实施例的车载继电器低边驱动电路消除了高温高压条件下继电器线圈过热的风险。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种车载继电器低边驱动电路，其特征在于，包括继电器、三极管镜像电路、时变电阻电路、二极管、可控开关、主控单元；
所述继电器包括常开触点、线圈；
所述三极管镜像电路包括输入端、第一输出端、第二输出端；
所述输入端与所述常开触点电连接，所述第一输出端、所述二极管的负极与所述线圈的一端电连接；
所述时变电阻电路的一端与所述第二输出端电连接；
所述可控开关包括第一端、第二端和控制端；所述第一端与所述时变电阻电路的另一端电连接，所述第二端、所述二极管的正极与所述线圈的另一端电连接；
所述主控单元与所述控制端电连接；
所述三极管镜像电路包括第一电阻、第二电阻、第一三极管、第二三极管；
所述第一电阻的一端与所述第二电阻的一端电连接并作为所述输入端；
所述第一电阻的另一端与所述第一三极管的发射极电连接；
所述第二电阻的另一端与所述第二三极管的发射极电连接；
所述第一三极管的基极、所述第二三极管的基极与所述第一三极管的集电极电连接并作为所述第二输出端；
所述第二三极管的集电极作为所述第一输出端；
所述时变电阻电路包括第三电阻、第四电阻、第一电容；
所述第三电阻的一端与所述第四电阻的一端电连接并作为所述时变电阻电路的一端；
所述第四电阻的另一端与所述第一电容的一端电连接，所述第一电容的另一端与所述第三电阻的另一端电连接并作为所述时变电阻电路的另一端。
2.如权利要求1所述的车载继电器低边驱动电路，其特征在于，所述可控开关包括第三三极管；
所述第三三极管的基极作为所述控制端，所述第三三极管的集电极作为所述第一端，所述第三三极管的发射极作为所述第二端。
3.如权利要求1所述的车载继电器低边驱动电路，其特征在于，所述第二端接地。
4.如权利要求1所述的车载继电器低边驱动电路，其特征在于，所述第一三极管和所述第二三极管为PNP三极管。
5.如权利要求2所述的车载继电器低边驱动电路，其特征在于，所述第三三极管为NPN三极管。
6.如权利要求1所述的车载继电器低边驱动电路，其特征在于，所述第一电阻的阻值与所述第二电阻的阻值的比值不小于10。
7.如权利要求1所述的车载继电器低边驱动电路，其特征在于，所述主控单元包括MCU。
8.如权利要求1-7任一项所述的车载继电器低边驱动电路，其特征在于，
所述继电器还包括衔铁、常闭触点；
所述常开触点、所述常闭触点和所述第二端与电源的负极电连接；
所述衔铁用于与电机的一端电连接，所述电源的正极用于与所述电机的另一端电连接。
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