一种基于PWM波控制的继电器线圈驱动电路的制作方法

本实用新型涉及继电器线圈驱动技术领域，尤其涉及一种基于PWM波控制的继电器线圈驱动电路。

背景技术：

在汽车领域中，汽车继电器的线圈驱动电路的供电电源一般为汽车12V启动电池，驱动电路经常采用如图1的驱动，包括电源E、MOS管Q1和继电器KM1。这种电路结构简单，成本低，但对于汽车继电器的控制却有很多的缺点，一方面当电池电压降低后将导致继电器无法吸合的问题，另一方面，在继电器吸合后，由于电池电压一直加在继电器线圈两端会导致线圈发热和能量浪费的缺陷。

针对电池电压降低后导致继电器无法吸合的问题，现有的技术主要是增加升、降压电路，无疑增加了驱动电路的成本。

专利CN105609371《一种PWM波控制的电磁继电器驱动电路及实现方法》提到一种根据继电器线圈供电电源的大小来控制PWM波脉宽占空比的方法，如图2所示，该电路中，包括微处理器模块、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、三极管Q1、续流二极管D1和继电器KM1。该方案，可以使驱动电磁继电器触点动作快，很好的吸合，延长继电器的使用寿命，但此方案的不足之处在于，PWM波占空比的调节只与电源电压VCC有关，而当继电器线圈温度变化时，PWM波脉宽占空比并不能随之变化，设计者只能在设计之初，考虑最恶劣的温度情况下，将PWM波脉宽占空比设置到最大值来满足继电器线圈的正常工作，并无将吸合后线圈发热的能量减至最合理的情况。

技术实现要素：

本实用新型旨在一定程度上解决上述至少一个技术问题，提供一种能够降低能耗、直接与继电器线圈温度相关的基于PWM波控制的继电器线圈驱动电路。

为此，本实用新型提供了一种基于PWM波控制的继电器线圈驱动电路，包括：电源、开关元件和继电器线圈相互串联组成的主回路；续流二极管，所述续流二极管与所述继电器线圈并联后串联在所述开关元件和所述电源之间；控制模块，所述控制模块串联在所述电源的正负极之间；所述控制模块用于接收微处理器模块输出的控制信号，并控制所述开关元件的通断；信号采集模块，所述信号采集模块包括第一电压采集模块和第二电压采集模块，所述第一电压采集模块的一端连接电源，所述第一电压采集模块的另一端接地，所述第二电压采集模块的一端连接电源，所述第二电压采集模块的另一端接地；微处理器模块，所述微处理器模块包括第一信号输入口、第二信号输入口以及控制信号输出口；所述第一信号输入口与所述第一电压采集模块连接，所述第二信号输入口与所述第二电压采集模块连接；所述控制信号输出口与所述控制模块连接，所述控制信号输出口用于输出控制信号给所述控制模块；所述第一信号输入口用于接收所述第一电压采集模块的第一电压信号，所述第二信号输入口用于接收所述第二电压采集模块的第二电压信号；所述微处理器模块用于根据所述第二信号输入口接收到的第二电压信号获得继电器线圈的温度信号，并根据第一信号输入口接收到的第一电压信号和所述继电器线圈的温度信号控制所述控制信号输出口输出的控制信号的PWM波占空比。

一些实施例中，所述开关元件为MOS管，所述MOS管的源极与所述电源的正极连接，所述MOS管的漏极与所述续流二极管的负极连接，所述MOS管的栅极与所述控制模块连接；所述续流二极管的正极与所述电源的负极连接，所述继电器线圈的一端与所述续流二极管的负极相连，所述继电器线圈的另一端与所述续流二极管的正极相连。

一些实施例中，所述第一电压采集模块包括第一电阻和第二电阻，所述第二电压采集模块包括第五电阻和热敏电阻，所述第一电阻的一端与所述电源的正极连接，所述第一电阻的另一端与第二电阻的一端连接，所述第二电阻的另一端接地，所述第一电阻和第二电阻之间设置有第一节点，所述第一节点与所述第一信号输入口相连；所述第五电阻的一端与所述电源的正极连接，所述第五电阻的另一端与热敏电阻的一端连接，所述热敏电阻的另一端接地，所述第五电阻和热敏电阻之间设置有第二节点，所述第二节点与所述第二信号输入口相连。

一些实施例中，所述控制模块包括第三电阻、第四电阻、第六电阻、第一三极管、第二三极管和第三三极管，所述第三电阻的一端与所述控制信号输出口相连，所述第三电阻的另一端与所述第一三极管的基极相连；所述第四电阻的一端与第一三极管的基极相连，所示第四电阻的另一端与电源的负极相连；所述第一三极管的发射极与电源的负极相连，所述第一三极管的集电极与所述第六电阻的一端相连；所述第六电阻的另一端与所述电源的正极连接；所述第二三极管和第三三极管的基极均与所述第六电阻的一端相连，所述第二三极管的集电极与所述电源的正极连接，所述第二三极管的发射极和所述第三三极管的发射极与所述开关元件连接，所述第三三极管的集电极连接至电源的负极。

一些实施例中，所述第二三极管为NPN型三极管，所述第三三极管为PNP型三极管。

一些实施例中，所述热敏电阻为NTC热敏电阻。

一些实施例中，所述PWM波占空比的计算公式为：

D=(R×（1+K×△T）×Ir)/E

其中，D为PWM波占空比，R为继电器线圈的电阻值，K为继电器线圈绕线的电阻温度系数，△T为温度变化值，Ir为继电器线圈的维持电流，E为电源的实际电压。

本实用新型提供的基于PWM波控制的继电器线圈驱动电路，微处理器模块通过第二电压信号获得继电器线圈温度信号，并且通过第一电压信号和继电器线圈温度信号控制PWM波输出的占空比，能够实际将占空比的输出与继电器线圈的温度联系起来，通过不断调节PWM波的占空比，使得继电器稳态工作的能耗降到最低，避免了能量的浪费。

本实用新型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，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是现有技术一个实施例中，继电器驱动电路的电路图。

图2是现有技术另一个实施例中，继电器驱动电路的电路图。

图3是本实用新型提供的基于PWM波控制的继电器线圈驱动电路的电路图。

图4是本实用新型提供的微处理器模块输出的PWM波示意图。

附图标记

微处理器模块 1；信号采集模块 2；控制模块 3；续流二极管 4；开关元件 5；继电器 6；电源 7。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面结合附图1至图4说明一下本实用新型提供的基于PWM波控制的继电器线圈驱动电路。

一种基于PWM波控制的继电器线圈驱动电路，包括：电源、开关元件和继电器线圈相互串联组成的主回路；续流二极管，所述续流二极管与所述继电器线圈并联后串联在所述开关元件和所述电源之间；控制模块，所述控制模块串联在所述电源的正负极之间；所述控制模块用于接收微处理器模块输出的控制信号，并控制所述开关元件的通断；信号采集模块，所述信号采集模块包括第一电压采集模块和第二电压采集模块，所述第一电压采集模块的一端连接电源，所述第一电压采集模块的另一端接地，所述第二电压采集模块的一端连接电源，所述第二电压采集模块的另一端接地；微处理器模块，所述微处理器模块包括第一信号输入口、第二信号输入口以及控制信号输出口；所述第一信号输入口与所述第一电压采集模块连接，所述第二信号输入口与所述第二电压采集模块连接；所述控制信号输出口与所述控制模块连接，所述控制信号输出口用于输出控制信号给所述控制模块；所述第一信号输入口用于接收所述第一电压采集模块的第一电压信号，所述第二信号输入口用于接收所述第二电压采集模块的第二电压信号；所述微处理器模块用于根据所述第二信号输入口接收到的第二电压信号获得继电器线圈的温度信号，并根据第一信号输入口接收到的第一电压信号和所述继电器线圈的温度信号控制所述控制信号输出口输出的控制信号的PWM波占空比。

本实用新型提供的基于PWM波控制的继电器线圈驱动电路，如图3所示，包括电源E1，作为整个驱动电路的能量来源，同时，也作为继电器线圈所在回路的电源；其为继电器线圈L所在回路供电，为控制模块3和信号采集模块2供电。

在新能源汽车领域，该电源为汽车用启动电池。

微处理器模块1，所述微处理器模块1包括第一信号输入口A/D1、第二信号输入口A/D2以及控制信号输出口I/O；所述微处理器模块1用于根据所述第二信号输入口A/D2采集的第二电压信号获得继电器线圈温度信号，并根据第一信号输入口A/D1采集的第一电压信号和所述继电器线圈温度信号控制所述控制信号输出口I/O输出的PWM波的占空比。

在本实用新型中，综合考虑了电压信号和温度信号，能够实时跟进继电器驱动线圈的电阻变动对PWM波的影响；根据第一电压信号和继电器线圈温度信号实时、不断的调节PWM波占空比，使继电器KM1稳态工作的能耗降到最低。

同时，本实用新型还包括控制模块3，该控制模块3与微处理器模块1的控制信号输出口I/O连接，并根据微处理器模块1输出的PWM波控制开关元件5的通断。

信号采集模块2，包括第一电压采集模块和第二电压采集模块，所述第一电压采集模块与第一信号输入口A/D1相连，所述第二电压采集模块与所述第二信号输入口A/D2相连。将采集到的第一电压信号和第二电压信号分别由第一信号输入口A/D1和第二信号输入口A/D2传递至微处理器模块1。

开关元件5，所述开关元件5与所述控制模块3相连，并连接在所述继电器线圈L所在回路中，所述开关元件5可在所述控制模块3的控制下实现闭合或关断，进而控制所述继电器线圈L所在回路的通断。

继电器线圈L和续流二极管D1并联后，串联在继电器线圈所在回路中。

具体的，如图3所示，本实用新型一个具体实施例中，所述开关元件5为MOS管V1，所述MOS管V1的源极与所述电源E1的正极连接，所述MOS管V1的漏极与所述续流二极管D1的负极连接，所述MOS管V1的栅极与所述控制模块3连接；所述续流二极管D1的正极与所述电源E1的负极连接，所述继电器线圈L的一端与所述续流二极管D1的负极相连，所述继电器线圈L的另一端与所述续流二极管D1的正极相连。

所述第一电压采集模块包括第一电阻R1和第二电阻R2，所述第二电压采集模块包括第五电阻R5和热敏电阻NTC1，所述第一电阻R1的一端与所述电源E1的正极连接，所述第一电阻R1的另一端与第二电阻R2的一端连接，所述第二电阻R2的另一端接地，所述第一电阻R1和第二电阻R2之间设置有第一节点J1，所述第一节点J1与所述第一信号输入口A/D1相连；所述第五电阻R5的一端与所述电源E1的正极连接，所述第五电阻R5的另一端与热敏电阻NTC1的一端连接，所述热敏电阻NTC1的另一端接地，所述第五电阻R5和热敏电阻NTC1之间设置有第二节点J2，所述第二节点J2与所述第二信号输入口A/D2相连。

所述控制模块3包括第三电阻R3、第四电阻R4、第六电阻R6、第一三极管Q1、第二三极管Q2和第三三极管Q3，所述第三电阻R3的一端与所述控制信号输出口I/O相连，所述第三电阻R3的另一端与所述第一三极管Q1的基极相连；所述第四电阻R4的一端与第一三极管Q1的基极相连，所示第四电阻R4的另一端与电源E1的负极相连；所述第一三极管Q1的发射极与电源E1的负极相连，所述第一三极管Q1的集电极与所述第六电阻R6的一端相连；所述第六电阻R6的另一端与所述电源E1的正极连接；所述第二三极管Q2和第三三极管Q3的基极均与所述第六电阻R6的一端相连，所述第二三极管Q2的集电极与所述电源E1的正极连接，所述第二三极管Q2的发射极和所述第三三极管Q3的发射极与所述开关元件5连接，所述第三三极管Q3的集电极连接至电源E1的负极。

在上述实施例中，所述第二三极管Q2优选为NPN型三极管，所述第三三极管Q3优选为PNP型三极管。

在上述实施例中，所述热敏电阻优选为NTC热敏电阻。

本实用新型的工作原理：微处理器模块1根据第一信号输入口A/D1和第二信号输入口A/D2采样分压电路处理后，通过电源E1电压的大小和热敏电阻NTC1上的压降值，计算出继电器线圈L温度的取值，由控制信号输出口I/O输出PWM波来驱动继电器KM1使其处于稳定的闭合工作状态。其中，PWM波的占空比的取值与电源E1电压和线圈温度有关，微处理器模块1通过不断调节PWM波占空比，使继电器KM1稳态工作的能耗降到最低。本实用新型具有结构简单、节约成本、继电器触点动作快及降低能耗的特点，同时又能保证继电器安全稳定的工作。

本实用新型提供的基于PWM波控制的继电器线圈驱动电路，包括如下计算过程或操作步骤：

微处理器模块1根据第一信号输入口A/D1采样分压电路中第二电阻R2的模拟量经过A/D转换为数字量，假定该电压值为U'，则实际电源电压E：

E=U'×(（R1+R2）)/R2 （式1-1）

同理，微处理器模块1根据第二信号输入口A/D2采样分压电路中热敏电阻NTC1的模拟量经过A/D转换为数字量，假定该电压值为U''，则热敏电阻NTC1阻值为：

Rntc=(U”×R5)/(E-U”) （式1-2）

经查电阻NTC厂家规格书中T=f（RNTC）关系式，可知阻值与温度的关系为：

Rntc=K×T（Rntc） （式1-3）

当温度升高时，由于继电器线圈电阻的温度特性，随着线圈电阻值的增大，使得流过继电器KM1上电流Io减小，为保证继电器线圈L在环温升高的情况下也能稳定工作，电流Io必须大于线圈的维持电流Ir，令Uo为继电器线圈L的电压，此时则有：

Uo=Ir×Rntc=Ir×K×T（Rntc） （式1-4）

为保证继电器KM1可靠稳定的工作，微处理器模块1必须调节PWM波占空比D来提高Uo值，则有：

D=Uo/E=(R×（1+K×△T）×Ir)/E （式1-5）

一个实施例中，按照环温25度，继电器线圈电阻值R=400Ω，线圈额定电压为12V，最小释放电压为额定电压的5%，铜线的电阻温度系数为0.004/度为例；当继电器线圈L温度上升到35度时，微处理器模块1换算通过控制信号输出口I/O发出相应的PWM波来驱动第一三极管Q1，假定PWM波占空比为D，周期为Tpwm，ton为高电平，toff为低电平；则PWM占空比D与电源电压E和继电器温度T满足以下关系式：

D=(R×（1+K×△T）×Ir)/E=0.052 （式1-6）

根据占空比同时符合式1-4，

D=ton/(ton+toff) （式1-7）

计算可知，ton=Tpwm×D （式1-8）

toff=Tpwm×（1-D） （式1-9）

微处理器模块1的控制信号输出口I/O即发出相应的PWM波，继电器驱动电路在微处理器模块1输出PWM波驱动下，保持继电器KM1处于稳定的闭合工作状态。

继电器KM1处于稳定的闭合工作状态，此状态包含启动时间段和工作时间段，如图4所示，其实现步骤如下:

假定启动时间为t1，工作时间段为t2；

步骤一：启动时间段t1， 微处理器模块1输出PWM波为高电平，持续时间稍长，第一三极管Q1导通，汽车继电器线圈电流稍大，使电磁继电器线圈产生的磁力稍大，使得继电器线圈的触点快速动作，汽车继电器KM1闭合，继电器线圈处于储能状态；

步骤二：工作时间段t2，微处理器模块1输出PWM波交互为高、低电平，占空比由微处理器模块1根据电源电压E的波动和继电器线圈温度T的变化计算所得。高、低电平时间分别对应为ton和toff；

在t2阶段，当t=ton时，微处理器模块输出高电平，第一三极管Q1导通，继电器KM1的等效电感L产生的感应电动势为：

UL=di/dton×L UO=E-UL （式1-10）

在t2阶段，当t=toff时，微处理器模块1输出低电平，第一三极管Q1截止，继电器中负载电流经过续流二极管D1释能，感应电流按指数曲线下降，即

UL'=di/dtoff×L UO'=UL' （式1-11）

当汽车继电器处于稳定的工作状态中，负载电流在一个周期的初值和终值相等，

则在一个周期内，占空比D取值为

D=(R×（1+K×△T）×Ir)/E=ton/(ton+toff) （式1-12）

在t2阶段，利用汽车继电器KM1中的等效电感L不断的储能与释能，微处理器模块通过D=(R×（1+K×△T）×Ir)/E的关系有效调制PWM波的占空比D，使继电器稳定的工作在其额定电压范围内，并将稳态工作的能耗降到最低。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。