5.5 汽车继电器的驱动
继电器是一种自动电器，具有输入回路和输出回路。输入量通常是电压、电流等电量，也可以是温度、压力等非电量，而输出就是触点的动作。当输入量变化达到某一定值时，继电器即动作。继电器作为基础元件被广泛应用于电动机或线路的保护及生产过程自动化的控制系统中。继电器品种繁多，在汽车自动控制系统中，使用最多的是电磁继电器，而选择合适的继电器驱动器需要考虑很多限制。对于汽车应用，需要特别考虑以下要求：
1）负荷突降（80V，100ms）。
2）双电压加压起动（>24V）。
3）电池接反（-14V，1min或以上）。
4）抗静电放电（ESD）（根据AEC Q100规范）。
5）工作环境温度（-40～85℃）。
为满足这些要求，通常导致继电器驱动器体积过大、成本过高，或者需要许多保护元件。
另一方面，工业应用的要求有许多和标准的要求一样，如抗ESD（通常为2kV HBM-人体模型），及给定的工作环境温度范围（通常在0～85℃之间）。但是，一些应用也需要有防止正向电压的保护元件，这就需要增加额外的保护元件。
1．标准的分立式继电器驱动器
对于工业和汽车应用，传统和最常见的继电器驱动器是用一个双极型晶体管、两个偏置电阻和一个续流二极管的分立设计。在某些情况下，需要增加额外的元件，如MOV（金属氧化物变阻器）和额外的二极管来确保适当的保护。图5一15显示了一个典型的有额外保护元件的分立继电器保护器。二极管VD，提供了反向电源保护，而二极管VD，抑制了继电器线圈断开时(U=Ldi/dt)产生的电压尖峰。MOV用于将正向瞬态电压限制在双极型晶体管的击穿电压以内。双极型晶体管的饱和电压（典型为1V以上）引起高功率耗散，在某些情况下，不能使用廉价的贴片封装器件，如SOT-23或更小的，因此需要更大的封装，如TO220。由于需要几个元件而使用所设计的分立电路价格昂贵，且要占用较大的电路板空间。
图5-15 典型的分立继电器驱动电路
2.半导体继电器驱动器的汽车应用
图5-16给出了继电器驱动器（NUD3124器件）的典型连接。这些元件把几个分立器件集成到单个SOT-23三引脚贴片封装中，以获得比传统的分立继电器驱动器更简单更可靠的解决方案。集成进NUD3124的元件特性如下（NUD3160的设计相同，但是用于更高的电压）：
1）N-沟道FET（40V，220mA）。
2）ESD保护齐纳二极管（14V）。
3）偏置电阻（栅极为10kΩ，栅极和源极之间为100kΩ）。
4）钳位保护齐纳二极管（28V）作为有源钳位器。
图5-16 汽车继电器驱动器的典型连接（NUD3124器件）
40V N沟道FET用于转换继电器线圈中高达200mA的电流。钳位保护齐纳二极管（28V）提供钳位功能，以抑制在线圈断开时（U=Ldi/dt）产生的电压尖蜂。此功能可以在任何时候当齐纳二极管的电压达到其击穿电压电平（28V）时，通过钳位保护齐纳二极管部分起动FET来获得。ESD保护齐纳二极管保护栅—源结，防止其在器件传递或组装过程中可能由人体感应引起的ESD而造成损坏。偏置电阻为FET提供驱动控制信号。
当正向逻辑电压施加到器件的栅极（5V/3.3V）时，FET导通，继电器线圈有电流通过。当FET截止时，继电器线圈无电流通过，使它反激并产生一个高电压尖峰，次电压尖蜂引起钳位齐纳二极管（28V）击穿，导致FET部分导通而使该能量释放到地。这个工作序列在继电器驱动器的所有通和断的操作中重复。此继电器线圈有以下特性：L=46mH，Rdc=100Ω。继电器从12V电源电压所吸收的电流是120mA。集成FET典型的导通电阻是1Ω，因此在25℃的环境温度时，FET上产生的功耗大约为15mW。结果是电流为120mA时的导通压降只有125mV。
与NUD3105和NUD3112器件（工业级）不同，NUD3124器件（汽车级）的独特设计提供了有源钳位特性，通过在任何瞬间电压超过钳位齐纳二极管击穿电压（28V）的时候触发FET，允许更高的反向雪崩能量容量。NUD3124器件的能量容量一般为350mJ。
此器件的高反向雪崩能量容量（350mJ）可以控制大多数用于汽车应用的继电器。因为它们的线圈电流一般在50～150mA之间，电感值低于1H。这类线圈不会向NUD3124器件传输高等级的能量（E=LI2/2），因此每个都可以用相同的器件（NUD3124）控制。由于一般的继电器驱动器用于控制大多数用于特殊应用的电路中，采用集成式继电器驱动器可以获得巨大的优势。节约了印制电路板面积并且优化了电路设计。另外，也简化了元器件购买工作。
NUD3124器件的有源钳位特性也可使它满足负荷突降的汽车要求和汽车规格的其他电压瞬变要求。当大电流充电的电池接线断开时，汽车的交流发电动机会产生负荷突降瞬变。当继电器通或断时，这类瞬变也会发生。尽管负荷突降的汽车要求可以随着供应商而改变，可以知道，大多数负荷突降要求可以由能承受350ms、60V负荷突降瞬变的器件来满足。
在应用领域内，继电器驱动器（NUD3124）总是连接到继电器，因此如果负载突降情况发生，电流被继电器线圈电阻限制，这减少了需要由继电器驱动器（NUD3124）排放到地的能量。在负载突降瞬变时，器件控制一个线圈特性为L=48mH和Rdc=100Ω的OMRON继电器（G8TB-1A-64）。通过驱动器的电流很小（大约170mA），因为它被继电器线圈的电阻（100Ω）所限制。导致的能量大约为73mJ，这依然在NUD3124器件的雪崩能量容量（350mJ）以内。在某些情况下，负载突降瞬变甚至高达80V，但是NUD3124器件的可靠性也可以处理那些类型的负载突降情况。
汽车瞬变中最严格和最苛刻的要求是负载突降。因此如果器件能够满足这个要求，它一定可以承受其他不太苛刻的瞬变，如240V（10Ω源阻抗）、350μs的瞬变。
除了满足负荷突降要求和所有其他较小的汽车瞬变以外，NUD3124器件也符合其他汽车要求，如电池接反（14V，1min或以上）和双电压加压起动[24（1±10%）V]。
如果电池接反情况发生，它会引起FET的续流二极管正向偏置并导通。在这种情况下，电流被继电器线圈阻抗限制为安全的电平，使继电器动作。采用传统的分立方法，因为反向连接的电池可能形成通过驱动器到逻辑输出的电流路径，而使控制逻辑电路损坏。使用NUD3124器件避免了这种可能性。
如果使用双电压加压驱动（24V或以上），NUD3124器件保持在截止状态，因此继电器也不动作。在双电压加压驱动情况下，这是一个理想的工作要求，否则继电器会被起动，并使受其控制的设备或功能（车窗、座椅等）发生严重的问题。
3.继电器模块
如果把安森美半导体公司的继电器驱动（NUD3105、NUD3112、NUD3124、NUD3160）集成到继电器主体内，构成可以直接用逻辑电路驱动的继电器模块，将更加独特和有用。其优点是：
1）不需要外部驱动设备。
2）减小印制电路板面积。
3）减少插入操作。
4）更低成本的优化设计。
所有以上的优点降低了汽车以及工业应用机械继电器的成本。一些继电器制造商已经集成了一个和继电器并联的二极管，以简化驱动器电路。其他厂商正在考虑开发继电器模块的理念。继电器制造商的主要目标是向他们的客户提供更多的附加值，以优化设计和降低成本。