利用繼電器和電磁線(xiàn)圈節(jié)省功耗

在選擇一種特定的設(shè)計(jì)方法時(shí)需要考慮諸多因素，而且這些因素相互間并不總是獨(dú)立的。在為感性負(fù)載設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)需要考慮尺寸、成本、開(kāi)關(guān)速度、可靠性、功耗和散熱等。諸如繼電器或電磁線(xiàn)圈等感性負(fù)載有別于簡(jiǎn)單的阻性或容性負(fù)載，它們需要一定的電能去激勵(lì)負(fù)載，一旦完成激勵(lì)，所需的電能就可以降低，而負(fù)載仍保持激活狀態(tài)。低電流的額外好處是可以在較短時(shí)間使負(fù)載停止工作。

我在以前發(fā)表的博客文章“反電動(dòng)勢(shì)和緩沖器”中，我討論了開(kāi)關(guān)型感性負(fù)載的一個(gè)方面，建議你跟隨我的思路，繼續(xù)有關(guān)緩沖器的討論。不管你是否選擇斷開(kāi)感性負(fù)載的電源，反電動(dòng)勢(shì)(back-EMF)總是存在的。

在應(yīng)用以下技巧時(shí)，并不是所有感性負(fù)載的數(shù)據(jù)手冊(cè)都能提供足夠的信息。事實(shí)上，在我為這篇博客搜集資料時(shí)，幾乎沒(méi)發(fā)現(xiàn)哪個(gè)數(shù)據(jù)手冊(cè)上有這樣的信息。然而，SchrackRT2系列繼電器提供了很好的例子。正如你看到的，在拉電壓、繼電器以及保持負(fù)載處于激活狀態(tài)的要求之間有很大的差異。

圖1：高亮顯示的是RTE24024參數(shù)。盡管夠詳細(xì)了，但數(shù)據(jù)手冊(cè)中沒(méi)有地方提及絕對(duì)最大線(xiàn)圈電壓。(來(lái)源：TE Connectivity)

信息的缺失意味著你做的幾乎所有設(shè)計(jì)都只能是“試試再說(shuō)”。一旦你真正確定想要使用的方法和量值，就得考慮由于生產(chǎn)擴(kuò)張、電壓變化和溫度/濕度改變而造成的量值變化。如果可能的話(huà)我還是建議選用提供參數(shù)的產(chǎn)品。

控制感性負(fù)載要求調(diào)節(jié)線(xiàn)圈上的電壓或改變電流。如果你想全部自己做，可以采用下面這些方法。圖2只是概念性的顯示，對(duì)雙極型結(jié)晶體管(BJT)來(lái)說(shuō)在晶體管基礎(chǔ)上必須有一個(gè)限流電阻，在A圖中沒(méi)有指明轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)的電子控制機(jī)制。

圖2：直接調(diào)整線(xiàn)圈供電電壓的基本方法。

如果你能控制電源，就可以使用圖2A所示的方法。仔細(xì)看一下下面列出的設(shè)計(jì)實(shí)例，會(huì)發(fā)現(xiàn)這是最通用的方法。事實(shí)上，你可以使用第二組觸點(diǎn)反饋觸點(diǎn)閉合來(lái)觸發(fā)這種轉(zhuǎn)換。通常人們使用整流和平滑的電源而不用穩(wěn)壓電源。然而，主電壓和放大器制造方面的變化意味著你必須允許寬的容差才能適用于小批量生產(chǎn)，但我更愿意選用大批量生產(chǎn)和很大的余量。如果使用多個(gè)獨(dú)立線(xiàn)圈也很不方便。

圖2B展示的是一種很常見(jiàn)的技術(shù)。當(dāng)線(xiàn)圈通過(guò)晶體管Q2得到激勵(lì)時(shí)，電容C2相當(dāng)于短路，整個(gè)電壓施加于負(fù)載之上。C2根據(jù)電路的時(shí)間常數(shù)(C2的值和線(xiàn)圈的電阻)進(jìn)行充電，線(xiàn)圈上的電壓逐漸降低。這個(gè)電壓將穩(wěn)定在由線(xiàn)圈內(nèi)阻和R2組成的電阻分壓器確定的電壓值。這種方法雖然簡(jiǎn)單，但有一些缺點(diǎn)。一般來(lái)說(shuō)，電容都有一個(gè)很大的值，因?yàn)樵娜莶詈蜏囟忍匦砸蛩?，?shí)際下降穩(wěn)定時(shí)間會(huì)有比較大的差異。另外，在穩(wěn)定狀態(tài)下R2也會(huì)有功耗，那個(gè)電阻可能要很大，可能會(huì)發(fā)熱。

如果微處理器還有額外的輸出，那么作為圖2B改進(jìn)版的圖2C可以節(jié)省浪費(fèi)的空間和時(shí)序不確定的電容，代價(jià)是再用一個(gè)晶體管(Q3A)。為了激勵(lì)負(fù)載，需要使Q3A和Q3B導(dǎo)通。一旦完成激勵(lì)(根據(jù)時(shí)間或閉合觸點(diǎn)的確認(rèn))，Q3B就可以停止工作了。

要解決從數(shù)字域轉(zhuǎn)變到模擬域的任何問(wèn)題，推薦解決方案是PWM。通過(guò)改變開(kāi)關(guān)波形導(dǎo)通的比例，我們可以調(diào)節(jié)平均電壓以及平均功率。沒(méi)有額外的電阻要散熱，也沒(méi)有額外的電容會(huì)浪費(fèi)空間或搞亂時(shí)序。

圖3：用于連接PWM驅(qū)動(dòng)的簡(jiǎn)單電路連線(xiàn)示意圖。

我們可以創(chuàng)建一個(gè)獨(dú)立的PWM信號(hào)，然后用起始信號(hào)加以選通，這樣需要兩個(gè)引腳來(lái)控制負(fù)載，但如果認(rèn)為現(xiàn)代微控制器不能用一個(gè)引腳實(shí)現(xiàn)從0到100%的PWM就太天真了。若是感性器件制造商能夠提供有關(guān)實(shí)現(xiàn)可靠操作的細(xì)節(jié)就再好不過(guò)了。我不能確定這是否普遍，不過(guò)ASCO等制造商就專(zhuān)門(mén)為了這個(gè)目的而生產(chǎn)器件，如圖4所示。總算得到可以保證的性能!

圖4：摘自ASCO HV427246氣體關(guān)閉閥數(shù)據(jù)手冊(cè)。(來(lái)源：ASCO)

至此我只討論了電壓的控制，你可以通過(guò)控制電流達(dá)到同樣的目的。要實(shí)現(xiàn)用分立元件做電流控制器太費(fèi)勁了，但是有一個(gè)很簡(jiǎn)單的解決方法。有一些IC能夠做到這點(diǎn)!

最直接的是英飛凌公司的恒流雙通道繼電器驅(qū)動(dòng)器TLE7241，英飛凌也有六通道的器件TLE6288R，以及另外一個(gè)器件——用于線(xiàn)性電磁線(xiàn)圈的TLE82453。

TI公司則有DRV120。美信公司提供8通道的驅(qū)動(dòng)器MAX4822-4825。我還剛剛發(fā)現(xiàn)了一家以前從未聽(tīng)過(guò)的IC制造商iC Haus，該公司生產(chǎn)3種節(jié)能型繼電器/電磁線(xiàn)圈驅(qū)動(dòng)器。

有關(guān)這次討論的最后提示：你選擇的繼電器/電磁線(xiàn)圈也會(huì)對(duì)功耗有很大的影響。如果選擇自鎖繼電器，那么在穩(wěn)定狀態(tài)功耗會(huì)降至零。制造商設(shè)計(jì)的“敏感性”元件只需較小的電流就能激活。

你還需要仔細(xì)考慮器件的等級(jí)。有些器件規(guī)定用于臨時(shí)性操作，因此不適合想要降低功耗的長(zhǎng)期工作環(huán)境。當(dāng)制造商不提供數(shù)據(jù)時(shí)，反復(fù)試驗(yàn)后再將結(jié)果應(yīng)用到生產(chǎn)是很有必要的。最后提醒一點(diǎn)，采用這種節(jié)能方法有一個(gè)不太明顯的副作用，在高振動(dòng)/沖擊環(huán)境下電能可能不足以使繼電器/電磁線(xiàn)圈保持激活狀態(tài)。

后記

在寫(xiě)這篇博客時(shí)，我在一個(gè)已經(jīng)啟動(dòng)的項(xiàng)目中使用了圖4所示的器件。在2個(gè)月內(nèi)我又啟動(dòng)了另一個(gè)項(xiàng)目，使用了類(lèi)似于圖5中數(shù)據(jù)的電磁線(xiàn)圈。不僅數(shù)據(jù)手冊(cè)中缺少關(guān)鍵參數(shù)(比如絕對(duì)最大電壓)，Guardian公司還完全不提供技術(shù)支持。我的客戶(hù)說(shuō)這是一個(gè)1A的電磁線(xiàn)圈，最大激活時(shí)間是4s，否則它會(huì)過(guò)熱。

這次沒(méi)有任何有關(guān)怎樣PWM驅(qū)動(dòng)器的信息。

圖5：Guardian Electric公司提供的電磁線(xiàn)圈標(biāo)記為L(zhǎng)T8X16-29.7-24VDC。這是我在Guardian網(wǎng)站上發(fā)現(xiàn)的最近似產(chǎn)品。(來(lái)源：Guardian Electric公司)

我審閱了一下上面的內(nèi)容。我想要PWM方法，而我的描述有點(diǎn)老套——你會(huì)如何真正去確定起始脈沖，并保持PWM和頻率。我建議你使用能方便調(diào)整參數(shù)的配置——我使用的是賽普拉斯公司的PSoC5LP開(kāi)發(fā)套件，它有一個(gè)電位計(jì)、一組開(kāi)關(guān)和LED，以及一大堆I/O。

幸運(yùn)的是，這種電磁線(xiàn)圈和連接裝置是完全可見(jiàn)的，因此我可以看到真實(shí)發(fā)生的事情。

我的設(shè)計(jì)會(huì)提供一個(gè)脈沖來(lái)激活電磁線(xiàn)圈。我寫(xiě)了一個(gè)小程序來(lái)讀取電位計(jì)的設(shè)置，并將它轉(zhuǎn)換為導(dǎo)通時(shí)間。從大概1s的位置開(kāi)始，然后退回來(lái)看電磁線(xiàn)圈停止拉入的地方。令人驚訝的是時(shí)間很短，不到100ms。我將脈沖寬度設(shè)為150ms。然后將微處理器的啟動(dòng)脈沖配置為150ms，并轉(zhuǎn)換為PWM。我為PWM信號(hào)選擇了一個(gè)2kHz的頻率，然后根據(jù)電位計(jì)的位置重寫(xiě)程序來(lái)調(diào)整PWM設(shè)置。接著嘗試激活電磁線(xiàn)圈，并在每次嘗試時(shí)退回到PWM，看看它何時(shí)退出。試驗(yàn)表明，激勵(lì)晶體管的速度是限制因素，它在PWM小于10%時(shí)無(wú)法跟上，因此有效極限是10% PWM(見(jiàn)圖6)。

圖6：上方是微處理器產(chǎn)生的PWM，下方是驅(qū)動(dòng)晶體管的輸出。PWM約為8%，可以看到由于驅(qū)動(dòng)器響應(yīng)的原因，有效輸出曲線(xiàn)是如何變得更多的。

在2kHz時(shí)可以聽(tīng)得到嘯叫。將頻率提高到4kHz，驅(qū)動(dòng)器又不能順暢工作，因此只好回退到2kHz。我認(rèn)為在實(shí)際應(yīng)用中這不會(huì)有問(wèn)題，不過(guò)還是讓時(shí)間來(lái)證明吧。

總之，我得到了一個(gè)150ms的啟動(dòng)脈沖、一個(gè)2kHz的PWM信號(hào)和10%的PWM。電流從大約800mA降低到76mA。還不錯(cuò)!