使用MOSFET驱动继电器是非常常见的应用。从家庭应用到汽车应用都在使用这种电路。需要考虑一些方面,例如MOSFET上的应力、保证MOSFET饱和的驱动电平、施加到继电器线圈的实际电平(如果足以满足要求)以及相关元件上的应力。
1.通用电路
以上电路是如何使用MOSFET驱动继电器的最常见电路。MOSFET位于电路的低边,这称为低边驱动。在这种情况下,很容易只用小电压驱动MOSFET。
是否可以将MOSFET放在VDD侧?
答案是肯定的。然而,这比在低边驱动要困难。将MOSFET放在VDD侧称为高边驱动。考虑到相同的NMOS,如果基准接地,则VDRIVE必须高于VDD加上栅极阈值电压才能导通MOSFET。我个人不建议从此电路中进行高边驱动。
2.电路元件描述
VDRIVE是来自任何来源(如微控制器GPIO引脚、另一个电路或外部电压源)的电压电平。
R1用于控制注入VDRIVE时(高电平)的浪涌电流水平。在启动期间,MOSFET栅极到源极将短路,因为此时输入电容正在充电。R1将启动电流定义为在驱动电路(提供VDRIVE的电路)的能力范围内。R1不能足够大,否则会导致电路启动期间的延迟过长。还必须仔细选择它,以便栅极到源极的电压不会下降到无法再保证MOSFET导通的程度。
R2将定义栅极到源极的电压。在开启过程中,它会给出保证的开启电压。在关断期间,无论VDRIVE是集电极开路还是漏极开路,它都会保证MOSFET关断。集电极开路或漏极开路是指驱动电路(VDRIVE)的集电极或漏极悬空。R2的存在将强制栅极接地。
Q1是一个NMOS,它将继电器线圈接地,以便电流流向线圈。
L1是继电器线圈的表示形式。
D1被添加到电路中,以箝位关闭期间继电器线圈的电压反冲。这将确保MOSFET不会损坏。
3.元件选择
3.1.选择R1
以便不超过VDRIVE电路的电流要求。例如,VDRIVE电路是一个微控制器引脚。微控制器引脚通常可提供3.3V电压,并可提供10mA的拉/灌电流。假设是这种情况,那么R1必须大于330Ω,具有良好的应力裕度。
R1>>(3.3V/0.01A)>>330Ω
R1可以是470Ω。这将仅提供70%的电流应力,
(3.3V/470Ω)/0.01A= 70.2%
470Ω不会给MOSFET带来明显的导通延迟,因为大多数MOSFET的输入电容在纳法拉范围内。
R1功耗不是问题,因为在稳态期间,大部分电压共享将位于R2上。在上述值中,额定值为100mW的电阻就足够了。
3.2.选择R2,
使R1上的电压降相对较小。一个好的经验法则是将R1乘以100。因此,当R1为470Ω时,R2可以是47,000Ω。
R2=100*R1=100*470Ω=47,000Ω
检查MOSFET是否可以在确定的值下导通
R2两端的电压将决定MOSFET是否可以导通和饱和。通过分压器,R2上的电压为
VR2=(VDRIVE*R2)/(R1+R2)
VR2=(3.3V*47,000Ω)/(470Ω+47,000Ω)= 3.267V
必须选择MOSFET,使栅极阈值电压远低于3.267V。
R2上的功耗可以计算为
Pdiss_R2=VR2*VR2/R2=3.267V*3.267V/47,000Ω= 0.227mW。
额定功率为100mW的标准电阻对于R2来说已经足够了。
R1功耗可以计算为
Pdiss_R1=(VDRIVE–VR2)*(VDRIVE–VR2)/R1=(3.3V-3.267V)*(3.3V-3.267V)/470Ω= 2.3μW。
因此,额定功率为100mW的R1已经足够了。
3.3.选择栅源电压
选择栅源电压远低于R2两端电压的MOSFET,如第3.2节中计算的那样。MOSFET漏源电压额定值必须远高于VDD的水平。对于12VVDD电平、漏极到源极电压为30V的MOSFET就足够了。这是假设继电器线圈上有一个箝位二极管。
在没有箝位二极管的情况下,MOSFET漏源电压额定值必须非常高,以承受反冲电压。这需要更多的数学计算来确定最大电压尖峰。
还必须选择MOSFET,以确保不超过其漏极电流额定值。MOSFET的漏极电流可以计算为:
Id_MOSFET=VDD/Rcoil
假设VDD为12V,线圈电阻为100Ω,则
Id_MOSFET=VDD/Rcoil=12V/100Ω= 0.12A
对于继电器,线圈电阻将在最低工作温度下处于最低值。如果是这种情况,则元件的额定电流必须远高于计算值,以确保充足的设计裕量。一个好的经验法则是将典型电流乘以10。
在此示例中,
Id_MOSFET_rating=10*Id_MOSFET=10*0.12A= 1.2A
MOSFET功率耗散可以计算为:
Pdiss_MOSFET=Id_MOSFET*Id_MOSFET*RDSon
假设RDSon为0.1Ω,
Pdiss_MOSFET=0.12A*0.12A*0.1Ω= 1.44mW
额定功率为0.5W 的MOSFET已经足够了。
3.4.选择继电器
使其线圈可以由等于VDD的电压电平驱动,在上面的示例中为12V。如果应用项目是DC,则选择DV类型。如果应用项目为AC,请选择AC类型。
3.5. 箝位二极管D1 的功耗为:
Pdiss_D1=Id_MOSFET*VF_diode
假设VF_diode(正向电压)为0.7V,
Pdiss_D1=Id_MOSFET*VF_diode=0.12A*0.7V= 84mW
额定功率为1W的二极管就足够了。
二极管电压必须高于VDD电平,且裕量很大。对于12VVDD,额定电压为50V的二极管就足够了。
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