TWI488207B - 繼電器驅動裝置及其驅動方法 - Google Patents

Description

繼電器驅動裝置及其驅動方法

本發明是有關於一種驅動裝置，特別是指一種繼電器驅動裝置。

在現有交換式電源轉換器架構中，一般為抑制開機時所造成的突波電流(Inrush Current)且又有高轉換效率需求時，通常會用一繼電器(Relay)來作切換，也就是讓電源轉換器在開機時，先讓突波電流流經一電流抑制元件，例如：電阻、熱敏電阻或任何能抑制瞬間大電流之元件，並於突波電流消失後，再讓繼電器激磁以短路電流抑制元件，如此避免電流抑制元件對電源轉換器造成過大的效率損耗。

然而，透過上述方式雖可避免掉電流抑制元件所造成的損耗，但當繼電器動作(激磁)時同樣會有一固定損耗，使得電源轉換器的轉換效率降低。以現有技術來說，若為了提高電源轉換器轉換效能，除了改用具有較高轉換效能之電路架構或控制法則外，不外乎就是要選用等級較好的功率轉換元件，但如此方式會使得材料成本提高。因此，如何在不改用較好的功率轉換元件或不變更電源轉換器電路架構下(即不提高材料成本下)，降低電源轉換器之能源損耗以增加效能遂為本案之發明重點。

因此，本發明之目的，即在提供一種可在不更換元件 及電路架構下，降低繼電器之功率損耗的繼電器驅動裝置。

於是，本發明繼電器驅動裝置，應用於驅動一繼電器，該繼電器驅動裝置包含一用以輸出一足以啟動繼電器的第一驅動電力的第一供電模組、一用以輸出一電壓低於第一驅動電力的第二驅動電力的第二供電模組、一電連接第一供電模組、第二供電模組及繼電器的切換開關，以及一電連接切換開關的驅動控制模組，且該第一供電模組之輸出端及該第二供電模組之輸出端共同電性連接該繼電器的輸入端。

驅動控制模組控制切換開關將第一供電模組電連接繼電器，使繼電器接收第一驅動電力而啟動，並於繼電器啟動後接收一控制訊號，當該控制訊號改變不同之準位時，驅動控制模組控制切換開關將第二供電模組電連接繼電器，使繼電器接收第二驅動電力而運作。如此，利用以兩段式驅動的方式控制繼電器運作，將可減少繼電器在激磁後不必要的消耗，以提高電源轉換器整體的轉換效率。

進一步來說，第二驅動電力的電壓等於或大於繼電器的最低激磁電壓，以驅動繼電器正常運作。

詳細來說，第二供電模組包括一分壓電容及一並聯分壓電容的第一蕭基二極體，切換開關包括一開關電晶體及一開關二極體，驅動控制模組包括一組延遲電路、一第一電晶體、一第二電晶體、一第一電阻、一第二電阻及一第三電阻，開關二極體的陽極電連接第二供電模組，其陰極 電連接繼電器，延遲電路包括一延遲電容及一並聯延遲電容的延遲電阻，第一電晶體具有一電連接延遲電路的控制端、一電連接第一電阻之一端的第一端及一接地的第二端，第一電阻的另一端電連接第一供電模組，第二電晶體具有一電連接第一電晶體之第一端的控制端、一電連接第三電阻之一端的第一端及一接地的第二端，第三電阻的另一端電連接第二電阻的一端，第二電阻的另一端電連接第一供電模組，開關電晶體具有一電連接第三電阻之另一端的控制端、一電連接第一供電模組的第一端，及一電連接繼電器。

另外，驅動控制模組及切換開關也可以有另種電路架構。驅動控制模組包括一第三電晶體、一第四電晶體、一第五電晶體、一第六電晶體、一第七電晶體、一第四電阻、一第五電阻、一第六電阻、一第七電阻及一第二蕭基二極體，切換開關包括一第一二極體及一第二二極體。

第三電晶體具有一接收一電源訊號的控制端、一電連接第四電阻的一端的第一端，及一接地的第二端，第四電阻的另一端電連接第一供電模組，第四電晶體具有一接收該控制訊號的控制端、一電連接第三電晶體的第一端的第一端，及一接地的第二端，第五電晶體具有一電連接第三電晶體的第一端的控制端、一電連接第六電阻的一端的第一端，及一接地的第二端，第六電阻的另一端電連接第五電阻的一端，第五電阻的另一端電連接第一供電模組，第六電晶體具有一電連接第六電阻的另一端的控制端、一電 連接第一供電模組的第一端，及一電連接第七電阻的一端的第二端，第七電阻的另一端電連接第二蕭基二極體而接地，第七電晶體具有一電連接第七電阻的另一端的控制端、一電連接第六電晶體的第二端的第一端，及一電連接第一二極體的陽極的第一端，第一二極體的陰極電連接繼電器，第二二極體的陽極電連接第二供電模組，陰極電連接繼電器。

因此，本發明之另一目的，即在提供一種以兩段式驅動的方式控制繼電器運作以減少其功率消耗的繼電器驅動方法。

本發明繼電器驅動方法，於一繼電器驅動裝置中執行，該繼電器驅動裝置與一繼電器電連接，該繼電器驅動方法包含以下步驟：(A)令該繼電器驅動裝置輸出一第一驅動電力，使繼電器接收該第一驅動電力而啟動；及(B)於繼電器啟動後，令繼電器驅動裝置輸出一第二驅動電力，使繼電器接收第二驅動電力而運作。如此，繼電器驅動裝置可以兩段式驅動的方式控制繼電器運作，使得繼電器先以較高電壓之驅動電力激磁而啟動，並於繼電器啟動後，改由一較低電壓之驅動電力來維持激磁之動作，以節省繼電器在激磁完成後所消耗的瓦數，進而提高電源轉換器整體的轉換效率。

本發明之功效在於，在不改用較好的功率轉換元件或不變更電源轉換器的電路架構下(即不提高材料成本下)，以 兩段式驅動的方式改善繼電器的激磁方式，以減少繼電器在激磁後的功率消耗，進而降低電源轉換器之能源損耗。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

參閱圖1，為本發明繼電器驅動裝置100之較佳實施例，該繼電器驅動裝置100可應用於任何具有繼電器210切換功能之電源轉換器200，在本實施例中，繼電器210的一次側電連接繼電器驅動裝置100，其二次側則電連接電源轉換器200的一電源轉換電路220，本繼電器驅動裝置100係以兩段式驅動的方式控制繼電器210運作，以減少繼電器210在激磁後不必要的消耗，進而提高電源轉換器200整體的轉換效率。

繼電器驅動裝置100包含一第一供電模組10、一第二供電模組20、一切換開關30及一驅動控制模組40。

第一供電模組10用以輸出一足以啟動繼電器210的第一驅動電力V_O1 。第二供電模組20用以輸出一電壓低於第一驅動電力V_O1 的第二驅動電力V_O2 ，第一驅動電力V_O1 的電壓等於或大於最低可啟動繼電器210的電壓，而第二驅動電力V_O2 的電壓則等於或大於繼電器210的最低激磁電壓。

切換開關30可為任何用作電壓切換之機械式開關元件或半導體元件，例如：金氧半場效應電晶體(MOSFET)、雙 載子接面電晶體(BJT)、二極體(Diode)、絕緣閘雙載子電晶體(IGBT)等，切換開關30電連接第一供電模組10、第二供電模組20及繼電器210，用以切換使第一供電模組10與繼電器210電連接，或使第二供電模組20與繼電器210電連接。驅動控制模組40電連接切換開關30，用以控制切換開關30的切換狀態。

配合參閱圖2及圖3，當使用者啟動系統電源(例如：按下電源鍵)時，第一供電模組10會輸出第一驅動電力V_O1 ，第二供電模組20會輸出第二驅動電力V_O2 ，驅動控制模組40會接收一電源訊號PS-ON，並根據該電源訊號PS-ON輸出一控制訊號Vd，其電壓準位為Low，使得切換開關30將第一供電模組10與繼電器210電連接，第一供電模組10得輸出第一驅動電力V_O1 至繼電器210，以啟動繼電器210，如步驟S10。

於繼電器210啟動後或啟動一段時間後，驅動控制模組40將所輸出的控制訊號Vd的電壓準位從Low轉為High，使得切換開關30將第二供電模組20與繼電器210電連接，以改由第二供電模組20輸出的第二驅動電力V_O2 供應繼電器210的運作，如步驟S20。當然，驅動控制模組40輸出的控制訊號Vd，其電壓準位的High/Low轉換，對於切換開關30的控制，並不限於本實施例所提及。

換言之，本繼電器驅動裝置100會兩段式驅動的方式控制繼電器210運作，使得繼電器210在第一次激磁時得有較高電壓之驅動電力(即第一驅動電力V_O1 )激磁，並於繼 電器210激磁完成後，改由一較低電壓之驅動電力(即第二驅動電力V_O2 )來維持激磁之動作，如此則可節省繼電器210在激磁完成後所消耗的瓦數，進而提高電源轉換器200整體的轉換效率。

補充說明的是，圖3中I_O1 是第一供電模組10所輸出之電流，I_O2 是第二供電模組20所輸出之電流，Vr及Ir則分別為進入繼電器210的電壓及電流。由圖3可知，繼電器210在一開始啟動階段時，其電壓會等於第一驅動電力V_O1 ，直到繼電器210啟動後，其電壓會降為第二驅動電力V_O2 ，以減少繼電器210激磁後不必要的消耗。

下表一是說明繼電器210使用本發明繼電器驅動方法前後的激磁損耗功率比較，其中，第一驅動電力V_O1 是設定為12伏特，第二驅動電力V_O2 是設定為5伏特，系統電源為250瓦特(W)，各參數的單位皆為瓦特(W)。

由表一可知，藉由本繼電器驅動裝置100的兩段式驅動控制，可使繼電器210在20%、50%及100%的負載下都 可減少0.256W的轉換損失，若換算成轉換效率來看，其在20%、50%及100%的轉換效率也將可分別得到0.411%、0.167%及0.078%之改善。

參閱圖4，為本實施例第二供電模組20、切換開關30及驅動控制模組40的細部電路。其中，第二供電模組20包括一分壓電容Cv及一並聯分壓電容Cv的第一蕭基二極體ZD1。切換開關30包括一開關電晶體Qs及一開關二極體Ds。驅動控制模組40包括一組延遲電路41、一第一電晶體Q1、一第二電晶體Q2、一第一電阻R1、一第二電阻R2及一第三電阻R3。

延遲電路41接收一系統電力IC Internal Vref且包括一延遲電容Cd及一並聯延遲電容Cd的延遲電阻Rd。第一電晶體Q1為一N型金氧半場效應電晶體，其閘極(控制端)電連接延遲電路41，汲極(第一端)電連接第一電阻R1的一端，源極(第二端)接地。第一電阻R1的另一端電連接第一供電模組10。第二電晶體Q2為一NPN雙載子接面電晶體，其基極(控制端)電連接第一電晶體Q1的汲極，集極(第一端)電連接第三電阻R3的一端，射極(第二端)接地。第三電阻R3的另一端電連接第二電阻R2的一端，第二電阻R2的另一端電連接第一供電模組10。開關電晶體Qs為一PNP雙載子接面電晶體，其基極(控制端)電連接第三電阻R3的另一端，射極(第一端)電連接第一供電模組10，集極(第二端)電連接繼電器210的一次側。開關二極體Ds的陽極電連接第二供電模組20，陰極電連接繼電器210的一次側。

當使用者啟動系統電源後，第一供電模組10會輸出第一驅動電力V_O1 ，並導通第二電晶體Q2及開關電晶體Qs，使得繼電器210可接收第一驅動電力V_O1 而啟動。另外，驅動控制模組40於系統電源啟動後接收電源訊號PS-ON，並透過延遲電路41延遲一段時間後，導通第一電晶體Q1，使得第二電晶體Q2及開關電晶體Qs關閉，此時，開關二極體Ds將會導通，使繼電器210接收第二驅動電力V_O2 而運作，以達成本案兩段式電壓驅動繼電器210之功效。

特別說明的是，本實施例之驅動控制模組40是採用RC延遲的方式控制切換開關30，且延遲電路41的延遲時間應大於繼電器210啟動所需的時間，如此才能確保第二驅動電力V_O2 輸出至繼電器210時，繼電器210已經啟動。當然，第一供電模組10、第二供電模組20、切換開關30及驅動控制模組40的細部電路並不以本實施例為限，也可以如圖5所示之電路，同樣能達到本案兩段式電壓驅動繼電器210之功效。

在圖5中，驅動控制模組40包括一第三電晶體Q3、一第四電晶體Q4、一第五電晶體Q5、一第六電晶體Q6、一第七電晶體Q7、一第四電阻R4、一第五電阻R5、一第六電阻R6、一第七電阻R7及一第二蕭基二極體ZD2。切換開關30包括一第一二極體D1及一第二二極體D2。

第三電晶體Q3為一N型金氧半場效應電晶體，其閘極(控制端)接收一電源訊號PS_ON，汲極(第一端)電連接第四電阻R4的一端，源極(第二端)接地。第四電阻R4的另一 端電連接第一供電模組10。第四電晶體Q4為一N型金氧半場效應電晶體，其閘極(控制端)接收一控制訊號PGO，汲極(第一端)電連接第三電晶體Q3的汲極，源極(第二端)接地。第五電晶體Q5為一NPN雙載子接面電晶體，其基極(控制端)電連接第三電晶體Q3的汲極，集極(第一端)電連接第六電阻R6的一端，射極(第二端)接地。第六電阻R6的另一端電連接第五電阻R5的一端，第五電阻R5的另一端電連接第一供電模組10。第六電晶體Q6為一PNP雙載子接面電晶體，其基極(控制端)電連接第六電阻R6的另一端，射極(第一端)電連接第一供電模組10，集極(第二端)電連接第七電阻R7的一端。第七電阻R7的另一端透過第二蕭基二極體ZD2而接地。第七電晶體Q7為一NPN雙載子接面電晶體，其基極(控制端)電連接第七電阻R7的另一端，集極(第一端)電連接第六電晶體Q6的集極，射極(第一端)電連接切換開關30的第一二極體D1。

第一二極體D1的陽極電連接第七電晶體Q7的射極，陰極電連接繼電器210的一次側。第二二極體D2的陽極電連接第二供電模組20，陰極電連接繼電器210的一次側。

配合參閱圖6，在本實施例中，控制訊號PGO會於電源訊號PS_ON啟動後延遲一特定時間

當使用者啟動系統電源後(即電源訊號PS_ON為低準位)，第一供電模組10會輸出第一驅動電力V_O1 ，並導通第六電晶體Q6及第七電晶體Q7，使得繼電器210可接收第一驅動電力V_O1 而啟動，此時，第三電晶體Q3及第四電晶 體Q4會分別因電源訊號PS_ON及控制訊號PGO為低準位而關閉。在本實施例中，控制訊號PGO會於系統電源啟動後一段時間(100~500ms)而上升為高準位，使得第四電晶體Q4開啟並關閉第五電晶體Q5，造成第六電晶體Q6及第七電晶體Q7也將會關閉，此時切換開關30將會切換以第二供電模組20輸出，使繼電器210接收第二驅動電力V_O2 而運作，以達成本案兩段式電壓驅動繼電器210之功效。

綜上所述，因此，本發明繼電器驅動裝置100可在不改用較好的功率轉換元件或不變更電源轉換器200的電路架構下(即不提高材料成本下)，以兩段式驅動的方式改善繼電器210的激磁方式，如此則可在不提高製造成本下減少繼電器210在激磁後的功率消耗，進而降低電源轉換器200之能源損耗，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

S10~S20‧‧‧步驟

100‧‧‧繼電器驅動裝置

200‧‧‧電源轉換器

210‧‧‧繼電器

220‧‧‧電源轉換電路

10‧‧‧第一供電模組

20‧‧‧第二供電模組

30‧‧‧切換開關

40‧‧‧驅動控制模組

41‧‧‧延遲電路

PS_ON‧‧‧電源訊號

PGO‧‧‧控制訊號

Q1‧‧‧第一電晶體

Q2‧‧‧第二電晶體

Qs‧‧‧開關電晶體

Q3‧‧‧第三電晶體

Q4‧‧‧第四電晶體

Q5‧‧‧第五電晶體

Q6‧‧‧第六電晶體

Q7‧‧‧第七電晶體

R1‧‧‧第一電阻

R2‧‧‧第二電阻

R3‧‧‧第三電阻

Rd‧‧‧延遲電阻

R4‧‧‧第四電阻

R5‧‧‧第五電阻

R6‧‧‧第六電阻

R7‧‧‧第七電阻

Cv‧‧‧分壓電容

Cd‧‧‧延遲電容

Ds‧‧‧開關二極體

D1‧‧‧第一二極體

D2‧‧‧第二二極體

ZD1‧‧‧第一蕭基二極體

ZD2‧‧‧第二蕭基二極體

V_O1 ‧‧‧第一驅動電力

V_O2 ‧‧‧第二驅動電力

IC Internal Vref‧‧‧系統電力

I_O1 ‧‧‧第一供電模組的輸出電流

I_O2 ‧‧‧第二供電模組的輸出電流

Vr‧‧‧繼電器的輸入電壓

Ir‧‧‧繼電器的輸入電 流

圖1是說明本發明繼電器驅動裝置的電路方塊圖；圖2是說明本發明繼電器驅動方法的流程圖；圖3是說明第一供電模組及第二供電模組的輸出電壓及電流、驅動控制模組的輸入訊號及輸出訊號，以及進入繼電器的電壓與電流的曲線圖；圖4是說明本實施例繼電器驅動裝置的一種電路態 樣；圖5是說明本實施例繼電器驅動裝置的另一種電路態樣；及圖6是說明電源訊號、第一供電模組及第二供電模組的輸出電壓、驅動控制模組的輸出訊號及控制訊號的曲線圖。

100‧‧‧繼電器驅動裝置

200‧‧‧電源轉換器

210‧‧‧繼電器

220‧‧‧電源轉換電路

10‧‧‧第一供電模組

20‧‧‧第二供電模組

30‧‧‧切換開關

40‧‧‧驅動控制模組

PS_ON‧‧‧電源訊號

I_O1 ‧‧‧第一供電模組的輸出電流

I_O2 ‧‧‧第二供電模組的輸出電流

Vr‧‧‧繼電器的輸入電壓

Ir‧‧‧繼電器的輸入電流

Claims (8)

1. 一種繼電器驅動裝置，應用於驅動一繼電器，該繼電器驅動裝置包含：一第一供電模組，用以輸出一足以啟動該繼電器的第一驅動電力；一第二供電模組，用以輸出一電壓低於該第一驅動電力的第二驅動電力，且該第一供電模組之輸出端及該第二供電模組之輸出端共同電性連接該繼電器的輸入端；一切換開關，電連接該第一供電模組、該第二供電模組及該繼電器；及一驅動控制模組，電連接該切換開關，該驅動控制模組控制該切換開關將該第一供電模組電連接該繼電器，使該繼電器接收該第一驅動電力而啟動，於該繼電器啟動後接收一控制訊號，當該控制訊號改變不同之準位時，該驅動控制模組控制該切換開關將該第二供電模組電連接該繼電器，使該繼電器接收該第二驅動電力而運作。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之繼電器驅動裝置，其中，該第二驅動電力的電壓等於或大於該繼電器的最低激磁電壓。
3. 依據申請專利範圍第1項所述之繼電器驅動裝置，其中，該第二供電模組包括一分壓電容及一並聯該分壓電容的第一蕭基二極體，該切換開關包括一開關電晶體及 一開關二極體，該驅動控制模組包括一組延遲電路、一第一電晶體、一第二電晶體、一第一電阻、一第二電阻及一第三電阻，該開關二極體的陽極電連接該第二供電模組，其陰極電連接該繼電器，該延遲電路包括一延遲電容及一並聯該延遲電容的延遲電阻，該第一電晶體具有一電連接該延遲電路的控制端、一電連接該第一電阻之一端的第一端及一接地的第二端，該第一電阻的另一端電連接該第一供電模組，該第二電晶體具有一電連接該第一電晶體之第一端的控制端、一電連接該第三電阻之一端的第一端及一接地的第二端，該第三電阻的另一端電連接該第二電阻的一端，該第二電阻的另一端電連接該第一供電模組，該開關電晶體具有一電連接該第三電阻之另一端的控制端、一電連接該第一供電模組的第一端，及一電連接該繼電器的第二端。
4. 依據申請專利範圍第3項所述之繼電器驅動裝置，其中，該第一電晶體為一N型金氧半場效應電晶體，其控制端為閘極，其第一端為汲極，其第二端為源極，該第二電晶體為一NPN雙載子接面電晶體，其控制端為基極，其第一端為集極，其第二端為射極，該開關電晶體為一PNP雙載子接面電晶體，其控制端為基極，其第一端為射極，其第二端為集極。
5. 依據申請專利範圍第1項所述之繼電器驅動裝置，其中，該驅動控制模組包括一第三電晶體、一第四電晶體、一第五電晶體、一第六電晶體、一第七電晶體、一 第四電阻、一第五電阻、一第六電阻、一第七電阻及一第二蕭基二極體，該切換開關包括一第一二極體及一第二二極體，該第三電晶體具有一接收一電源訊號的控制端、一電連接該第四電阻的一端的第一端，及一接地的第二端，該第四電阻的另一端電連接該第一供電模組，該第四電晶體具有一接收該控制訊號的控制端、一電連接該第三電晶體的第一端的第一端，及一接地的第二端，該第五電晶體具有一電連接該第三電晶體的第一端的控制端、一電連接該第六電阻的一端的第一端，及一接地的第二端，該第六電阻的另一端電連接該第五電阻的一端，該第五電阻的另一端電連接該第一供電模組，該第六電晶體具有一電連接該第六電阻的另一端的控制端、一電連接該第一供電模組的第一端，及一電連接該第七電阻的一端的第二端，該第七電阻的另一端電連接該第二蕭基二極體而接地，該第七電晶體具有一電連接該第七電阻的另一端的控制端、一電連接該第六電晶體的第二端的第一端，及一電連接該第一二極體的陽極的第一端，該第一二極體的陰極電連接該繼電器，該第二二極體的陽極電連接該第二供電模組，陰極電連接該繼電器。
6. 依據申請專利範圍第5項所述之繼電器驅動裝置，其中，該第三電晶體為一N型金氧半場效應電晶體，其控制端為閘極，其第一端為汲極，其第二端為源極，該第四電晶體為一N型金氧半場效應電晶體，其控制端為閘 極，其第一端為汲極，其第二端為源極，該第五電晶體為一NPN雙載子接面電晶體，其控制端為基極，其第一端為集極，其第二端為射極，該第六電晶體為一PNP雙載子接面電晶體，其控制端為基極，其第一端為射極，其第二端為集極，該第七電晶體為一NPN雙載子接面電晶體，其控制端為基極，其第一端為集極，其第二端為射極。
7. 一種繼電器驅動方法，於一繼電器驅動裝置中執行，該繼電器驅動裝置與一繼電器電連接，該繼電器驅動裝置包含一用以輸出一足以啟動該繼電器的第一驅動電力的第一供電模組及一用以輸出一電壓低於第一驅動電力的第二驅動電力的第二供電模組，且該第一供電模組之輸出端及該第二供電模組之輸出端共同電性連接該繼電器的輸入端，該繼電器驅動方法包含以下步驟：(A)令該繼電器驅動裝置輸出該第一驅動電力，使該繼電器接收該第一驅動電力而啟動；及(B)於該繼電器啟動後，接收一控制訊號，當該控制訊號改變不同之準位時，令該繼電器驅動裝置輸出該第二驅動電力，使該繼電器接收該第二驅動電力而運作。
8. 依據申請專利範圍第7項所述之繼電器驅動方法，其中，該第二驅動電力的電壓等於或大於該繼電器的最低激磁電壓。