CN114464500A - 一种低功耗单稳态或双稳态继电器的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种低功耗单稳态或双稳态继电器的控制方法，通过外部的输入电压采样电路，通过参数设置，灵活的设定采样电路的传输比，只需要改变采样电阻的阻值，满足不同电压等级动作值的需求；采用无源精准动作参数控制芯片作为控制芯片，电压采样电路通过分压电路，对输入电压进行分压，并输入到控制芯片的VT端口，当输入到VT端口的电压大于设定值时，则控制芯片驱动GT端口输出PWM信号驱动MOSFET导通，MOSFET导通后给继电器线圈提供负电源，继电器动作。本发明使得对于单稳态或双稳态继电器动作值和动作时间有严格要求的场合，无需增加电源就可以实现动作值和动作时间的精准设置。

Description

一种低功耗单稳态或双稳态继电器的控制方法

技术领域

本发明涉及低功耗单稳态或双稳态继电器的控制方法与装置。特别是关于继电器动作电压的控制、继电器动作时间的控制、继电器启动后的降功耗运行、继电器控制回路的保护。

背景技术

对于高可靠性的控制场合，对继电器的动作范围和动作时间范围有明确且苛刻的限制，而且，随着对控制系统稳定性的要求的提高，给定的动作范围也越来越窄。对于控制回路需要接点扩展或信号隔离的场合，由于电磁式继电器体积小，输出触点数量有限，需要多个继电器进行串联或者并联，才能满足需求。若采用继电器串联方式，由于继电器本身的动作值离散度比较大，特别是继电器组合串联应用时，动作值的不确定性更大。若采用继电器并联方案，由于不同的电压等级，需要电压不同的继电器，目前泰科、松下、欧姆龙等继电器厂家，一般线圈最高电压等级110VDC，对于电压在110V以上的场合，就需要功率电阻进行分压，长期运行，无论是继电器还是分压电阻都会产生很大的功耗，时间久而久之继电器和分压电阻的使用寿命就会减少。

无论是单稳态继电器还是双稳态继电器，在各个厂家出厂之前只检测上限即继电器可靠动作电压，不检测下限，导致继电器的动作范围很宽，离散度很大。目前产品在上线前，先采用的复杂的智能系统在加工前先进行继电器的动作范围筛选，然后再与分压电阻进行动作参数匹配，加工后仍然存在动作值不满足标准的情况，特别是双稳态继电器，即要满足动作线圈的动作范围，又要同时满足复归线圈的动作范围，找到适合的分压电阻更是难上加难，对于不合格品会进行二次动作参数匹配，即更换分压电阻，甚至继电器，直到产品合格，导致单稳态或双稳态继电器存在很大的质量瓶颈。

对于动作时间要求比较高的场合，目前在加工前先进行继电器的动作范围筛选，然后再与分压电阻进行动作参数匹配，加工后仍然存在动作时间不满足标准的情况。筛选下来的不良品，在保证继电器和分压电阻正常的功耗下，大多数都是更换继电器，导致企业大量的原材料浪费和人工成本增加。

因此，对单稳态和双稳态继电器控制回路的优化，既要精确控制继电器的动作参数，但又不能增加辅助电源和微处理器已经成为行业的重点解决的问题，同时降功耗绿色运行也逐渐成为行业热点。

本申请人的CN2021111201339一种继电器无源精准动作参数控制芯片，包括，电源单元，该单元支持其它单元的宽供电范围，涵盖继电器的工作电压范围；连接一个内部LDO单元，通过VDD电压，稳压输出支持其它单元的内部供电电压；三个电压传感器与比较器单元，输出PWM发生器的启动与闭锁信号；PWM发生器，用于输出控制波形；CMOS驱动单元，用于与CMOS的匹配与驱动；PWM发生器波形占空比控制单元，用于连接并控制PWM发生器输出PWM波形的占空比。此发明虽然提出一种无辅助电源供电、动作值与动作时间可以精准控制、动作后降功耗运行、控制回路的完好性监视的继电器的控制技术。但后续技术还需要创新与设计，尤其是针对一些单稳态和双稳态继电器等应用的特殊场合，现有技术解决此问题电路复杂且降低性，用本申请人这个芯片就可以实现单稳态和双稳态继电器的控制方法与装置，解决现有技术存在的不足。

发明内容

本发明的目的是，提出一种无辅助电源供电、动作值与动作时间可以精准控制、动作后降功耗运行的单稳态和双稳态继电器(包括延时继电器)的控制方法与装置。

本发明的技术方案是，根据本发明实施方式实现的低功耗单稳态或双稳态继电器的控制方法与装置，通过外部的采样电路，对输入电压采样(如对需要控制的继电器线圈回路的输入电压进行采样)，并通过参数设置，可以灵活的设定采样电路的传输比，只需要改变采样电阻的阻值，可以满足不同电压等级动作值的需求；采用无源精准动作参数控制芯片作为控制芯片，采用电压采样电路时，通过分压电路，对输入电压进行分压，并输入到控制芯片的VT端口，当输入到VT端口的电压大于设定值时，则控制芯片驱动GT端口输出PWM信号驱动MOSFET导通，MOSFET导通后给继电器线圈提供负电源，继电器动作。利用控制芯片性能稳定、VT的离散度低，能精准设定继电器的动作值，实现动作值的精准控制；这样，就可以有效的控制继电器的动作值离散度。

对于需要延时的场合，在无源精准动作参数控制芯片的VT输入端并接电容，即可获得精准的继电器动作的延时，延时的精度与继电器本身的参数无关，只与芯片的延时精度和并接电容的容值大小有关，这样就可以很好的控制继电器的延时精度，进而一致性可以得到可靠的保证。

通过分压电路，对输入电压进行分压，并输入到VT端口，当VT端口的电压大于设定值时，驱动GT端口输出PWM信号，并驱动MOSFET导通，为继电器线圈的负端提供负电源，驱动继电器动作；对于继电器的启动阶段，为确保继电器可靠动作，PWM输出100％占空比的波形，继电器快速启动；继电器启动阶段后，继电器进入动作阶段，PWM输出能保证继电器可靠动作的PWM波形，降低单稳态或双稳态继电器和分压电阻回路的功耗，实现继电器动作阶段的降功耗运行，达到绿色运行。

通常在直流应用场景下，会选择直流继电器，在交流应用场景下，选择交流继电器，为了便于设计，前端采用整流桥加电容滤波方案，无论直流回路还是交流回路都统一采用直流继电器，在交流输入回路中，继电器工作在启动阶段，输入的波形为馒头波，需要在输入端口VIN引脚串联一个二极管和分压电阻，以减少无源精密继电器控制芯片的启动功耗。

同时在回路中串联热敏电阻、并联压敏电阻进行双重保护，提高产品的抗干扰能力，满足电力行业EMC四级要求。通过电阻R、MOS、二极管D构成的快速电源启动回路快速启动，并通过VDD端口外接电容调节启动速度，最终VDD稳定在MOS能可靠驱动的电压上；为给内部的回路以及MOS驱动提供可靠的工作电源，芯片内部设置LDO器件，提供稳定的工作电源。

继电器线圈为电感回路，启动阶段会出现涌流，此时必须躲涌流，专门设置的PH比较器，用于启动阶段判断继电器线圈回路的完好性。继电器动作阶段，会稳定在一个恒定的电流，专门设置PL比较器，用于继电器动作阶段判断继电器线圈回路的完好性。PH和PL为非必要控制部分，如果不需要对继电器线圈回路进行监视，可以不选择取样回路，直接把该引脚下拉即可。

双稳态继电器设有两组线圈，需要两个无源精准动作参数控制芯片进行回路的设计。

根据上述方法得到低功耗单稳态或双稳态继电器的控制装置。单稳态或双稳态继电器动作值可精确控制，本发明解决由于单稳态或双稳态继电器本身的动作值离散度比较大，特别是继电器组合串联应用时，动作值的不确定性会更大，本发明VT的电压通过采样电路来精确控制动作电压的门槛值，并可以确保生产过程中动作电压的一致性，同时解决不同应用场景下不同的动作电压范围；本发明以用最少器件、最低成本，实现继电器重要参数精准控制。尤其避免单稳态和双稳态继电器在生产过程中的大量的继电器参数配置的工作和加工后继电器参数漂移带来的二次参数配置工作、有效解决单稳态和双稳态继电器串联或者并联使用过程中参数配置问题。大大简化生产过程与时间；并实现继电器动作阶段的降功耗绿色运行。

本发明主要是解决由于单稳态或双稳态继电器本身的动作值离散度比较大，特别是继电器组合串联应用时，动作值的不确定性会更大的问题。基于本申请人的无源精密继电器控制芯片，VT的电压通过采样电路来精确控制动作电压的门槛值，并可以确保生产过程中动作电压的一致性，同时解决不同应用场景下不同的动作电压范围；单稳态或双稳态继电器动作时间可调控，该单元主要对于需要延时的场合，在无源精密控制芯片的VT输入端并接电容，即可获得精准的单稳态或双稳态继电器动作的延时，延时的精度与继电器本身的参数无关，只和芯片的延时精度和电容的容值大小有关，这样就可以很好的控制单稳态或双稳态继电器的延时精度，一致性可以得到可靠的保证；单稳态或双稳态继电器低功耗运行,该单元主要是通过PWM发生器，输出相应的PWM波形，再通过MOSFET驱动单元控制单稳态或双稳态继电器开出；PWM发生器输出PWM波形的占空比来降低运行阶段单稳态或双稳态继电器以及分压电阻的功耗，实现继电器动作阶段的降功耗运行，达到绿色运行。本发明应用于单稳态或双稳态继电器动作值和动作时间有严格要求的场合，无需增加电源就可以实现动作值和动作时间的精准设置，同时产品在稳定运行阶段可以降低单稳态或双稳态继电器和分压电阻的运行功耗，可以实现全部继电器无论多个继电器串联方式还是并联方式产品的一次合格率以及产品稳定阶段低功耗运行。有益效果：本发明克服了现有单稳态和双稳态继电器控制电路的参数调节的繁复：由于继电器本身动作值、动作时间离散度大，而对于动作值和动作时间要求比较高的场合，继电器的生产与参数配置就非常困难；本发明使得对于继电器动作值和动作时间有严格要求的场合，无需增加电源就可以实现动作值和动作时间的精准设置，可以实现全部继电器产品的一次合格率。同时实现继电器动作阶段的降功耗运行，达到绿色运行。根据本发明实施方式实现的低功耗单稳态或双稳态继电器的控制方法，整个继电器的动作特性不再受继电器本身的动作特性影响，彻底解决单稳态或双稳态继电器动作值和动作时间精准控制。可以减少大量的设备投入和加工前大量的筛选工作。同时实现继电器回路的降功耗运行，为节能减排做出贡献。

此外，由于继电器本身动作值离散度大，而对于动作值要求高的场合，继电器的生产与参数配置就非常困难或无法配置。本发明使得对于继电器动作值和动作时间有严格要求的场合，无需增加电源就可以实现动作值和动作时间的精准设置，可以实现全部继电器产品的一次合格率。同时实现继电器动作阶段的降功耗运行，达到绿色运行。

本发明使得对于单稳态或双稳态继电器动作值和动作时间有严格要求的场合，解决了现有技术处理此问题的复杂回路，无需增加电源就可以实现动作值和动作时间的精准设置，同时产品在稳定运行阶段可以降低单稳态或双稳态继电器和分压电阻的运行功耗，可以实现全部继电器无论多个继电器串联方式还是并联方式产品的一次合格率以及产品稳定阶段低功耗运行，本发明可以实现全部继电器产品的一次合格率。本发明在所有应用场所均选择直流继电器，即使在交流应用场景下也可应用本发明的方法。

附图说明

图1：图解动作值精确控制的低功耗单稳态中间继电器的应用原理图。

图2A、图2B为两个图解动作值精确控制的低功耗双稳态中间继电器的应用原理图。图2A、图2B分别对应双稳态中间继电器外部启动与复归的状态。

具体实施方式

以下通过实施案例，并配合附图1，详细说明本发明的内容。

以下叙述列举的案例以及叙述介绍本发明的基本概念，并非意图限制本发明内容。实际发明范围应按照权力要求书的范围界定。

图1：图解动作值精确控制的低功耗单稳态中间继电器的应用原理图。

外部启动的信号接点闭合，给RL1A、RL2A线圈提供电源的同时，也给无源精密继电器控制芯片提供电源，芯片内部完成快速的充电。由于芯片支持宽范围的输入电源(包含交流和直流)，所以，对于不同电压等级的回路不需要使用不同型号的芯片。

此时VT端口通过采样电路判断输入电压是否满足继电器的动作电压标准，此时的控制精度受VT比较器的精度确定，而不受继电器的动作值影响。采样值大于VT比较器的门槛值，则驱动GT端口输出驱动MOSFET导通，MOSFET导通后给继电器线圈提供负电源，继电器动作。同时控制RL1A、RL2A线圈。

继电器进入动作阶段后，PWM输出能保证继电器可靠动作的PWM波形，降低单稳态继电器和分压电阻回路的功耗，实现继电器动作阶段的降功耗运行，达到绿色运行。

对于输入端VT比较器而言，当大于设定的门槛值时，GT输出，为保证继电器的稳定运行，VT比较器具备迟滞特性，只有当采样电压低于返回值门槛时，GT才会停止使出，从而时继电器也具备良好的迟滞特性。

上述是利用本申请人的无源精密继电器控制芯片，内部电压传感器与比较器单元即VT检测单元为继电器励磁电压检测单元，当外部的分压回路的电压大于VT的门槛值时，则驱动GT端口输出PWM信号并驱动MOSFET导通，MOSFET导通后给继电器线圈提供负电源，继电器动作。

为保持控制的稳定性，当VT电压下降时，芯片设有返回系数，只有当VT的电压低于返回电压门槛值时，PWM才会停止输出，进入欠压保护模式。芯片性能稳定VT的离散度低，能精准设定继电器的动作值，实现动作值的精准控制；这样，就可以有效的控制继电器的动作值离散度。

对于需要延时控制的场合，可以在VT的输入端并接电容，即可获得精准的继电器动作的延时，延时的精度与继电器本身的参数无关，只与芯片的延时精度和容值大小有关，这样就可以很好的控制继电器的延时精度，一致性可以得到可靠的保证。

通常在直流应用场景下，会选择直流继电器，在交流应用场景下，选择交流继电器，为了便于设计，前端采用整流桥加滤波方案，无论直流回路还是交流回路都统一采用直流继电器，在交流输入回路中，继电器工作在启动阶段，输入的波形为馒头波，需要在输入端口VIN引脚串联一个二极管D5和分压电阻R4，以减少无源精密继电器控制芯片的启动功耗。同时在回路中串联热敏电阻RN1、并联压敏电阻RV1进行双重保护，提高产品的抗干扰能力，满足电力行业EMC四级要求。

图2A、图2B：图解动作值精确控制的低功耗双稳态中间继电器的应用原理图。

对于双稳态继电器，需要两个线圈控制回路，即动作线圈控制回路如附图2A和复归线圈控制回路如图2B。

外部启动信号支持脉冲信号或长期信号，当SET外部启动接点闭合，给继电器SET线圈提供正电源,同时也给无源精密继电器控制芯片提供电源，芯片内部完成快速的充电。通过SET分压电路，对输入电压进行分压，并输入到VT11端口，当VT11端口的电压大于设定值时，无源精准动作参数控制芯片驱动GT11端口输出PWM信号，并驱动MOSFET11导通，为继电器SET线圈的负端提供负电源，驱动继电器RL11A和RL12A动作并保持；此时SET外部启动接点断开，当VT11端口的采样电压小于返回值门槛时，GT11停止输出，MOSFET11断开，继电器接点不会因外部SET启动接点断开，继电器接点发生转换。此时RESET外部启动接点闭合，给继电器RESET线圈提供正电源,同时也给无源精密继电器控制芯片提供电源，芯片内部完成快速的充电。通过RESET分压电路，对输入电压进行分压，并输入到VT21端口，当VT21端口的电压大于设定值时，无源精准动作参数控制芯片驱动GT21端口输出PWM信号，并驱动MOSFET21导通，为继电器RESET线圈的负端提供负电源，驱动继电器RL21A和RL22A复归，接点返回并保持；此时RESET外部启动接点断开，当VT21端口的采样电压小于返回值门槛时，GT21停止输出，MOSFET21断开，继电器接点不会因外部RESET启动接点断开，继电器接点发生转换。

为了减少无源精密继电器控制芯片的启动功耗，分别在SET回路中VIN11引脚串联一个二极管D15和分压电阻R14，在RESET回路中VIN21引脚串联一个二极管D25和分压电阻R24。

无论是动作回路还是复归回路，继电器进入动作阶段后，GT11(GT21)输出能保证继电器可靠动作的PWM波形，降低双稳态继电器和分压电阻回路的功耗，实现继电器动作阶段的降功耗运行，达到绿色运行。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种低功耗单稳态或双稳态继电器的控制方法，其特征在于，通过外部的输入电压采样电路，通过参数设置，灵活的设定采样电路的传输比，只需要改变采样电阻的阻值，满足不同电压等级动作值的需求；采用无源精准动作参数控制芯片作为控制芯片，电压采样电路通过分压电路，对输入电压进行分压，并输入到控制芯片的VT端口，当输入到VT端口的电压大于设定值时，则控制芯片驱动GT端口输出PWM信号驱动MOSFET导通，MOSFET导通后给继电器线圈提供负电源，继电器动作。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，单稳态或双稳态继电器动作时间可调控，对于需要延时的场合，在无源精准动作参数控制芯片的VT输入端并接电容，即可获得精准的继电器动作的延时。

3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，通过分压电路，对输入电压进行分压，并输入到VT端口，当VT端口的电压大于设定值时，无源精准动作参数控制芯片驱动GT端口输出PWM信号，并驱动MOSFET导通，为继电器线圈的负端提供负电源，驱动继电器动作；对于继电器的启动阶段，为确保继电器可靠动作，PWM输出100％占空比的波形，继电器快速启动；继电器启动阶段后，继电器进入动作阶段，PWM输出能保证继电器可靠动作的PWM波形，降低单稳态或双稳态继电器和分压电阻回路的功耗，实现继电器动作阶段的降功耗运行。

4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，无源精准动作参数控制芯片的前端采用整流桥加滤波方案，直流输入回路和交流输入回路都统一采用直流继电器，在交流输入回路中，继电器工作在启动阶段，输入的波形为馒头波，需要在输入端口VIN引脚串联一个二极管和分压电阻，以减少无源精密继电器控制芯片的启动功耗。

5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，同时在输入回路中串联热敏电阻、并联压敏电阻进行双重保护，提高产品的抗干扰能力，满足电力行业EMC四级要求。

6.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，双稳态继电器设有两组线圈即动作线圈和复归线圈，需要两个控制芯片进行回路的设计。

7.根据根据权利要求1-6任一所述的控制方法得到的低功耗单稳态或双稳态继电器的控制装置。

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