1 引言
随着国Ⅲ柴油汽车的发展和在我国的大力推行， 国Ⅲ柴油汽车占国产柴油汽车的比重越来越大。国Ⅲ柴油汽车比国Ⅲ标准以下的柴油汽车在电气系统的智能控制方面更加全面，更加细化，采用ECU （中央控制单元） 作为整车所有电气产品的控制核心，使得整车电气系统的智能化、集成度越来越高。随着ECU 在柴油汽车上的使用越来越多，原先通过钥匙开关或者继电器控制的负载在国Ⅲ柴油汽车上都由ECU 直接控制。但是， 由于ECU 的带负载能力比起钥匙开关或者继电器的带负载能力小的多，因此，控制起动系统中的起动继电器其线圈电流大都在2A 左右，工作较频繁，并且在工作时可能会产生电磁脉冲干扰， 这些都有可能会损坏ECU.
目前， 国内使用的国Ⅲ柴油汽车控制核心的ECU 往往并没有设置对起动机系统的保护措施，对起动机的单次起动时间并没有加以限制， 因此往往会造成由于单次起动时间过长， 起动机产生的热量过大而损坏绝缘层而烧毁定转子， 最终导致起动机的损坏。
针对国Ⅲ柴油汽车在快速发展过程中遇到的上述两方面的问题， 我公司设计开发了JGD24 -5 型固体式限时保护继电器（以下简称限时保护继电器）， 如图1 所示。该限时保护继电器采用电子式设计， 带有单次起动最长时间限制， 当输入端加电超过一定时间（30s） 时， 限时保护电路自动断电， 切断限时保护继电器的输出端， 达到保护起动机的目的。这种限时保护继电器结构简单， 输入端与输出端都采用双线制， 接线方便， 直接接在起动机上即可， 安装方便， 经过试用， 极大的降低了起动机的故障率。
2 主要参数、功能
2.1 主要参数
额定电压： 24Vdc;
输入电流： ≤300mA;
接通电压： ≤18Vdc;
关断电压： ≥1Vdc;
额定输出电流： 5Adc;
限时断电时间： 30s;
延时时间： ≤200ms;
关断时间： ≤10ms;
输出电压降： ≤0.5Vdc;
输出漏电流： ≤10μA;
工作温度： -40℃ ~100℃；
贮存温度： -40℃ ~100℃；
介质耐电压： ≥660Vac;
绝缘电阻： ≥100MΩ；
封装形式： 灌封式。
2.2 功能
2.2.1 限时保护继电器开关功能
限时保护继电器输入端加电后， 输出端接通；输入端断电后， 输出端关断， 并且输入电流小， 输出端接通和关断时无火花， 动作速度快， 不产生电磁干扰， 能够很好的与ECU 匹配使用， 实现开关功能。
2.2.2 限时保护功能
限时保护继电器输入端加电后， 输出端接通，开始工作， 当输入端单次加电超过一定时间时（30s）， 限时保护电路自动切断输出端， 避免起动机单次过长时间起动， 起动机因过热损坏绝缘层而烧毁定转子， 进而损坏起动机。
2.2.3 限时保护继电器串联输出保护
限时保护继电器输出端采用固体式继电器输出端与电磁式继电器输出端串联的方式实现。这种输出端串联的方式在限时保护继电器不工作时， 电磁继电器输出端断开， 固体式继电器因输出端处于断电状态而不会受到整车电磁干扰的影响， 极大地降低了损坏的概率； 限时保护继电器工作时， 输入端加电， 电磁式继电器输出端先闭合， 而固体式继电器输出端后闭合； 输入端断电时， 固体式继电器输出端先断开， 而电磁式继电器输出端后断开。这种通断控制方式可以彻底避免电磁式继电器输出端带电切换， 避免电弧的产生， 极大地延长了电磁式继电器的通断寿命。通过输出端串联的方式实现了同时保护电磁式继电器与固体式继电器的目的。
3 总体电路设计
限时保护继电器主要由输入电路、延时滤波电路、限时保护电路、隔离电路、驱动电路和串联输出电路六大部分组成， 原理框图见图2.其主要工作原理为： 当输入控制电压加到输入端时， 经过延时电路， 再通过振荡电路和变压器隔离电路将信号传输到驱动电路， 由驱动电路控制输出电路的功率管导通， 然后电磁式继电器输出端导通， 从而使限时保护继电器接通； 当输入信号去除时， 驱动电路关断输出电路的功率管， 然后使电磁式继电器输出端关断， 从而使限时保护继电器关断； 当输入端加电时间超过一定值（30s） 时， 限时保护继电器自动断开输出端。
限时保护继电器与起动机系统的外围接线图如图3 所示。
3.1 输入电路的设计
输入电路的原理图如图4 所示。R1 为下拉电阻， 将限时保护继电器输入端的高阻态转化为低阻态， 实现ECU 对负载端的低阻态要求； V6 为反向保护二极管， 当输入端出现反向电压时， 通过二极管的单向导电性， V6 将反向电压隔断， 避免反向电压对后端电路造成影响； V1 为5V 稳压管， 输入电压通过稳压管降压后， 加在限流电阻R2 上，给后级电路提供恒流供电， 驱动限时保护继电器工作。
其电流IR2的计算如下（按额定电压计算）：
下拉电阻R1 的电流值IR1的计算如下：
输入电流I输入的电流值为：
3.2 延时滤波电路的设计
限时保护继电器使用在汽车发动机上， 其使用条件比较恶劣， 发动机工作时会产生大量的干扰电压， 干扰电压加到限时保护继电器的输入端可能会造成限时保护继电器的误动作。因此， 在限时保护继电器的输入电路之后， 设计一个延时滤波电路，延时滤波电路的原理图如图5 所示。当干扰电压小于一定值时（200ms， 干扰电压的持续时间较短，在1μs 左右）， 限时保护继电器不工作， 只有输入端持续供电超过200ms， 才认为是输入端正常供电， 限时保护继电器正常工作。
延时滤波电路的具体工作原理是： 当输入端添加一个上升沿电压信号时， 电流经过R6、R7 给电容C 充电。当电容C 充电到一定的门限值V 限时，反向器的“10” 引脚输出高电平， 限时保护继电器开始工作。充电时间（即延时时间） 由下式计算：
当反相器的“13” 引脚电压充电到3.8V 时，反相器开始工作， 其中V5 为5V 稳压管。
因此， V （t） 为3.8V， E 为5V， 代入上式：
3.3 限时保护电路的设计
为了避免起动机单次过长时间起动， 起动机因过热损坏绝缘层而烧毁定转子， 进而损坏起动机，在限时保护继电器的输入端设计出限时保护电路（如图6 所示）。输入端加电， 由于电容器C1 两端的电压不能够突变， 因此， 反相器的“1” 引脚为高电平， 通过两级反向门， 反相器的“4” 脚为高电平， 三极管V7 接通， 限时保护继电器开始工作。此时， 通过C1、R5 回路给电容C1 充电， 当反相器“1” 脚电压低于3.8V 时（即电容C1 两端的电压为1.2V）， 反相器的“4” 脚输出低电平信号， 此时三极管V7 关断， 限时保护器停止工作。
其中， 充电时间的计算公式如下：
3.4 隔离电路的设计
限时保护继电器的输入端控制电流很低， 而输出电流很大， 所以， 它们之间必须进行电隔离， 其隔离电路的原理图如图7 所示。本电路中采用振荡电路的变压器耦合隔离。变压器耦合隔离主要由高频振荡电路、变压器耦合电路和整流电路组成。高频振荡电路采用双端推挽自激振荡输出， 它比单端输出更能提高输入能量的转换效率。提高振荡频率， 使其达到50kHz ~200kHz， 实现快速响应。
隔离变压器磁芯是本电路的关键器件， 直接关系到电路的特性和转换效率。根据材料特性与本电路的特点， 并通过反复试验， 采用Mn-Zn 高磁导率铁氧体材料作为隔离变压器磁芯。在选择铁氧体材料时要考虑如下几个方面：
⑴ 磁导率和饱和磁通密度要高， 可减少线圈匝数， 减小内阻， 减小磁环体积；
⑵ 矫顽力要小， 减小磁滞损失；
⑶ 电阻率要高， 减小涡流损耗；
⑷ 合理选择居里温度， 提高磁环的综合性能。
隔离电路设计的另一个关键是振荡电路的设计， 在本电路中振荡电路如图6 所示。在隔离的输入与输出确定后， 通过下列方式对振荡电路进行优化设计。
⑴ 调整RC 值， 改变振荡频率， 测试输出参数， 并计算耦合效率η， 直至η最大；
⑵ 调整变压器线圈匝数， 测试输出参数， 并计算耦合效率直至最大。
同个隔离电路耦合后的电流信号为交流信号，经过整流桥电路D1、D2 整流后， 为驱动电路提供工作电流。
3.5 驱动电路的设计
驱动电路直接给输出电路供电， 输出电路的功率场效应管必须由恒压源驱动。因此， 选择高精度限流电阻提供功率管工作所需要的工作电流。工作电流经过R13、V11 形成回路， V11 为15V 稳压管， 确保提供给输出电路的场效应管驱动电压为15V 恒压源。R14、C5 形成一个放电回路， 当限时保护继电器不工作时， 由于输出端功率场效应管的电容效应， 会在功率场效应管的G 端积累电荷，会影响到功率场效应管的寿命， 通过R14、C5 形成的回路可以释放掉功率器件积累的电荷， 保护功率器件， 见图8 所示。
3.6 串联输出电路的设计
输出电路包括功率场效应管、串联保护回路和吸收电路。
⑴ 功率场效应管的选择
功率场效应管是限时保护继电器的核心部件，选择合适的功率场效应管是设计成功的关键。本产品中的功率器件可选用的类型主要有功率场效应管（MOSFET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）、双极晶体管和达林顿晶体管。MOSFET 耐压高， 输出电流大， 漏电流小， 导通管压降低， 驱动功率小， 体积小， 故作为限时保护继电器的功率器件比较合理。
根据限时保护继电器的应用特点， 应选用低电压降型的MOSFET.功率器件的类型确定以后， 具体型号的选择可根据额定输出电压、额定输出电流、输出电压降、体积及市场情况， 遵循以下原则：
以24V 5A 限时保护继电器为例， 功率器件选用耐压250V、电流46A 的MOSFET.
⑵ 串联保护回路的设计
根据图9 的电路原理图所示， 通过电磁继电器K 与功率场效应管Q1 串联， 当限时保护继电器不工作时， 电磁继电器K 的触点断开， 功率场效应管的两端无电压。因此， 发动机系统产生的电磁干扰不会对功率场效应管Q1 产生影响； 当限时保护继电器加电工作时， 电磁继电器的吸合时间为10ms， 而功率场效应管的吸合时间为延时滤波时间200ms， 因此， 吸合时电磁继电器K 在不带电的情况下先吸合； 当限时保护继电器断电时， 由于功率场效应管的关断时间快， 为2.5ms， 因此， 关断时电磁继电器K 在不带电的情况下后关断， 通过此电路设计， 可确保电磁继电器不会出现带电切换的情况， 即不会出现电弧情况， 可确保电磁继电器K 稳定工作。
⑶ 吸收电路
限时保护继电器在关断时产生的干扰电压峰值较高， 因此， 在输出电路中增加吸收电路对功率场效应管Q1 进行保护， 本电路中采用VRC 吸收电路。其中， V12 为快恢复二极， 管R15 为功率电阻， C6 为高频无感电容。Q1 导通时， V12 反偏，C6 通过R15 放电， R 消耗能量并限制放电电流；Q1 关断时， C6 通过V12 吸收干扰电压， 使Q1 的尖峰电压不会过高。
Q1 在关断时产生的干扰电压较高， 可由下式进行计算：
式中， Vcep为集-射极间的尖峰电压， 单位为V; Vcc为负载电源电压， 单位为V; L 为主电路和引线电路电感之和， 单位为H; di/dt 为MOSFET集电极电流变化速率， 单位为A/s.
由此可见， 在大电流、关断速度很快时， 尖峰更大。因此， 在输出电路中增加吸收电路对MOSFET进行保护。VRC 吸收电路中R、C 由下式进行计算：
4 结束语
本文介绍了固体式限时保护继电器的电路设计， 并详细介绍了输入电路设计、延时滤波电路设计、限时保护电路设计、隔离电路设计、驱动电路设计、串联输出电路设计， 并经过技术攻关， 研制出JGD24 -5 型固体式限时保护继电器。经试验验证， 其各项技术指标均达到了该方案的设计要求。