适用多源直流固态继电器及其驱动方法与流程

本发明属于固态继电器控制领域，具体涉及一种适用多源直流固态继电器及其驱动方法。

背景技术：

随着汽车技术的电子化和智能化，现代车用继电器采用大功率MOS管取代传统触点式的继电器已经成为一种趋势，而对于如何驱动MOS功率管的栅极是一个非常重要的问题。

中国专利【CN2011104291820一种用于避免短路失效的预热继电器】采用磁隔离技术来驱动大功率MOS管，其缺点是适应电压范围较窄，尤其不能短时中断供电，否则继电器不能正常开启和关闭。另外需要用到隔离变压器和振荡电路，不仅复杂而且成本较高。

中国专利【CN201420754598起动机用电子起动继电器】采用成品自举专用IC来驱动MOS管。其缺点也是不能适应短时的电源中断情况。其次成本也较高。

而传统的触点式电磁继电器就没有这种缺点，这种问题如果得不到很好的解决，用户体验不好，无触点继电器就很难推广开来。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种适用多源直流固态继电器及其驱动方法，保证外部电源供电不稳时，其内部仍能够正常工作。

本发明提供了一种适用多源直流固态继电器，其特征在于：它包括用于连接外部开关的控制端、用于连接外部电源正极的电源端、用于连接外部负载的继电器输出端、用于接地和连接外部电源负极的接地端，延时IC的输入端经电阻R1与控制端连接，延时IC的接地端接地，延时IC的输入端分别经电容C1和稳压管D1接地，其中稳压管D1阴极与延时IC的输入端连接；延时IC的输出端连接功率开关电路的输入端，功率开关电路的输出端连接MOS管单元的栅极，MOS管单元的漏极连接于电源端，MOS管单元的源极连接于输出端；控制端依次经二极管D2、电阻R2和电容C2与继电器输出端连接；电容C2经功率开关电路与MOS管单元的栅极连接。

所述功率开关电路包括三极管Q2、Q3、Q4、PMOS管Q1；MOS管单元包括NMOS管Q5；延时IC的输出端分别经第一分压电阻和第二分压电阻接地；三极管Q2的基极与第一分压电阻连接，三极管Q2的发射极接地，三极管Q2的集电极与PMOS管Q1的栅极连接；三极管Q3的基极与第二分压电阻连接；三极管Q3的发射极接地，三极管Q3的集电极分别与NMOS管Q5的漏极和三极管Q4的基极连接；三极管Q4的发射极接地；三极管Q4的集电极与NMOS管Q5的栅极连接；电源端与NMOS管Q5的漏极连接，输出端与NMOS管Q5的源极连接，NMOS管Q5的栅极与PMOS管Q1的漏极连接，NMOS管Q5的源极和栅极通过稳压管D4连接；PMOS管Q1的源极连接于电阻R2和电容C2之间；PMOS管Q1的栅极经稳压管D3与其源极连接；PMOS管Q1的栅极与电源端连接所述电阻R1和电容C1的时间常数大于电阻R2和电容C2的时间常数，即延时IC正常工作时间晚于C2充满电的时间。

所述第一分压电阻包括电阻R4和电阻R5，延时IC经电阻R4和电阻R5接地，三极管Q2的基极连接于R4和电阻R5之间。

所述第二分压电阻包括电阻R7和电阻R8，延时IC经电阻R7和电阻R8接地，三极管Q3的基极连接于R7和电阻R8之间。

本发明提供了一种适用多源直流固态继电器的驱动方法，其特征在于包括以下步骤：

a.外部开关闭合后，外部电源分别为电容C1和电容C2充电；

b.电容C1充满电后，延时IC正常工作，其输出端输出高电位，功率开关单元为导通状态，电容C2放电导通MOS管单元，即固态继电器受控导通外部负载得电工作；

c.在继电器导通过程中，当电源电压低于电容C2充满电时的电压时，由电容C2为功率开关单元供电保证其电压稳定；

d.当外部电源出现瞬间过零时段，电容C1放电维持延时IC的输出端输出高电位，保持步骤b中固态继电器受控导通状态。

上述技术方案还包括以下步骤：

e.当外部开关由通转为断开时，延时IC停止供电，延时IC的输出端输出低电位，功率开关单元变为关闭状态，则MOS管单元变成截止状态；即固态继电器受控关闭，外部负载失电退出工作；

f.当外部开关闭合时间超过延时IC的设定时间时，延时IC的输出端自动由高电位转为低电位，功率开关单元变为关闭状态，则MOS管单元变成截止状态；即固态继电器受延时时间控制而关闭，外部负载退出工作。

上述技术方案还包括以下步骤

g.外部开关一端连接外部电源正极，另一端连接控制端；外部电源正极连接与电源端，负极连接接地端；外部负载一端连接输出端，另一端连接接地端；

h.在外部开关未闭合前，延时IC未供电，延时IC的输出端为低电位，功率开关单元为关闭状态，则MOS管单元呈截止状态。。

车用电器的供电一般都是蓄电池，但有时会用到临时起动电源，例如车辆出厂前的调试，或者低温起动不了时会用到起动用整流柜等等情况，其电源特性与蓄电池相去甚远，主要表现在其中的纹波非常大，尤其是单相起动电源，其电流和电压短时会降至接近0V。在继电器导通过程中，由于二极管D2的阻断作用，当电源电压低于起始瞬间电容C2充满电时的电压时，就与外界隔离，由电容C2为电路内的三极管供电，为三极管提供稳定的电压，保证继电器内部能照常工作。当单相电源有瞬间的过零时段，由于电容C1的储能作用，使得延时IC可维持输出高电位，整个电路能照常工作。因R1C1的时间常数远大于R2C2的时间常数，也就是说延时IC开始正常工作时间远晚于C2充满电的时间，即当延时IC工作时，电容C2必定为充满电的状态，以保证电源电压不稳时，电路的正常运作，从而达到适用多源应用的目的。当开关K闭合时间超过延时IC的时间时，延时IC的输出端将自动由高电位转为低电位，使得NMOS管Q5截止断电，该功能的作用在于当开关K出现意外粘连脱不开时，限制了继电器的输出，使得负载不会因此而烧毁。

附图说明

图1是本发明示意图；

图2是本发明使用示意图；

图3是单相起动电源起动时的电压电流曲线

图4是正常的蓄电池电源起动时的电压电流曲线

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图1所示，本发明提供了一种适用多源直流固态继电器，连接有外部电源B、外部开关K、外部负载L，外部电源正极连接电源端，负极连接接地端；外部开关一端连接外部电源正极，另一端连接控制端；外部负载一端连接于输出端，另一端连接接地端；其中延时IC的输入端经电阻R1与连接有外部开关的控制端P3连接，电源端P4端与外部电源B正极连接，外部负载L的一端、延时IC的接地端、电源B负极与接地端P1连接，延时IC的输入端分别经电容C1和稳压管D1与接地端P1连接，其中稳压管D1阴极与延时IC的输入端连接；延时IC的输出端分别经第一分压电阻和第二分压电阻接地；三极管Q2的基极与第一分压电阻连接，三极管Q2的发射极接地，三极管Q2的集电极经电阻R6与PMOS管Q1的栅极连接；三极管Q3的基极与第二分压电阻连接；三极管Q3的发射极接地，三极管Q3的集电极分别与三极管Q4的基极连接和经电阻R9与NMOS管Q5的漏极连接；三极管Q4的发射极连接接地端P1；三极管Q4的集电极经电阻R11与NMOS管Q5的栅极连接；控制端P3依次经二极管D2、电阻R2和电容C2与输出端P2连接；开关的P4端与NMOS管Q5的漏极连接，负载的P2端与NMOS管Q5的源极连接，NMOS管Q5的栅极经电阻R11、R10与PMOS管Q1的漏极连接，NMOS管Q5的源极和栅极通过稳压管D4连接；PMOS管Q1的源极连接于电阻R2和电容C2之间；PMOS管Q1的栅极经稳压管D3与其源极连接；PMOS管Q1的栅极经电阻R3与电源端P4连接。

所述电阻R1和电容C1的时间常数大于电阻R2和电容C2的时间常数，即延时IC正常工作时间晚于C2充满电的时间。优选的参数是R2＝470Ω，C2＝10u，而R1＝4.7kΩ，C1＝22u。

所述第一分压电阻包括电阻R4和电阻R5，延时IC经电阻R4和电阻R5接地，三极管Q2的基极连接于R4和电阻R5之间。

所述第二分压电阻包括电阻R7和电阻R8，延时IC经电阻R7和电阻R8接地，三极管Q3的基极连接于R7和电阻R8之间。

本发明提供了一种适用多源直流固态继电器的驱动方法，其特征在于包括以下步骤：

a.在外部开关未闭合前，延时IC未供电，延时IC的输出端为低电位，三极管Q2、Q3呈截止状态，即PMOS管Q1也为截止状态，三极管Q4为导通状态，则NMOS管Q5呈截止状态；上述状态为继电器的初始状态；

b.外部开关闭合后，电源B正极端同时给2路充电，一路是通过电阻R1给电容C1充电，一路通过二极管D2经电阻R2和负载L给C2充电，但因电阻R1和电容C1的时间常数远大于电阻R2和电容C2的时间常数，也就是说延时IC开始正常工作时间远晚于C2充满电的时间，即当延时IC工作时，电容C2必定为充满电的状态，以保证电源电压不稳时，电路的正常运作；

c.电容C1充满电后，延时IC正常工作，其输出端3输出高电位，三极管Q2、Q3同时导通，然后PMOS管Q1立刻导通，同时三极管Q4转为截止，电容C2放电导通NMOS管Q5，即固态继电器受控导通，外部负载得电工作；

d.在继电器导通过程中，由于二极管D2的阻断作用，当外部电源电压低于电容C2充满电时的电压时，由电容C2为三极管Q2、Q3等功率开关电路供电保证其获得稳定电压；

e.当外部电源出现5ms过零时段，由于C1的储能作用，电容C1可放电维持延时IC的输出端输出高电位，保持步骤c中固态继电器受控导通外部负载得电工作状态；

f.当外部开关K由通转为断开时，延时IC停止供电，延时IC的输出端输出低电位，三极管Q2、Q3变成截止状态，即PMOS管Q1变成截止状态，三极管Q4变为导通状态，则NMOS管Q5变成截止状态；固态继电器受控关闭即外部负载L失电退出工作；

g.当外部开关K闭合时间超过延时IC的设定时间时，延时IC的输出端自动由高电位转为低电位，三极管Q2、Q3即变成截止状态，PMOS管Q1变成截止状态，三极管Q4变为导通状态，则NMOS管Q5变成截止状态；固态继电器受控关闭外部负载失电退出工作。此情况与主动断开外部开关K的效果一样，最终NMOS管Q5截止断电，该功能的作用在于当开关K出现意外粘连脱不开时，限制了继电器的输出，使得负载不会因此而烧毁。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。