一种防止继电器触点受损的新颖保护电路设计
1 术语及定义
浪涌电流：用电设备在启动瞬间产生的大电流；
旁路电路：旁路用电设备在启动瞬间产生大电流的电路；
esl：电容器的等效串联电感；
esr：电容器等效串联电阻。
2 浪涌电流产生的原因 通常情况下，在设备加电时，电容器是产生浪涌电流的主要原因，原理示意图见图1。
上图中k1闭合后，电容器c开始充电，若将直流电源、开关k1以及连接的导线看作理想状态（直流电源可提供足够大的电流且内阻为零，k1接触电阻为零，导线线阻为零），在电容器充电瞬间，产生的浪涌电流可根据公式1进行近似计算。
式中：i——浪涌电流
u——直流电源输出电压
esr——电容器等效串联电阻
虽然电容电器esl对输入浪涌电流有一定的抑制作用，但电感量较小，抑制作用也较小，可忽略。通常电容器esr均比较小，例如，在100khz下测量，液体钽电容器的esr一般为几百毫欧，聚脂电容的esr一般为几十毫欧，而陶瓷电容的fsr一般为几毫欧。所以在电容器加电瞬间，会产生较大的浪涌电流。
以上是针对电容器在加电瞬间产生的浪涌电流所进行的分析，若其它设备或元器件在加电瞬间与电容器具有类似特性，则同样会产生较大的浪涌电流，如蓄电池在充电状念下也会产生上百安培的浪涌电流。
3 旁路保护电路分析 浪涌旁路保护电路原理图见图2。
图中：r1、r2、r3、r4、r5为电阻器；
c1、c2为钽电容器；
g1为光耦器件；
vt1为p沟道mosfet；
k1为继电器触点。
工作原理如下：
在驱动信号接通后，线圈加电，继电器的吸合为机械动作过程，接通时间为5～15ms。
浪涌旁路保护电路与继电器线圈同步接收驱动信号，g1导通前，vt1栅极电压与功率线输入正端电压u1相等，vt1为截止状态。
g1导通后，功率线输入正端电压u1经r2、r3为电容c1充电，c1在充电开始阶段，vt1栅极电压通过公式1计算，忽略光藕器件的导通时间，此时vt1为导通状态。
随c1电压不断上升，vt1栅极电压逐渐升高，当c1充电完成后，vt1栅极电压与功率线输入正端电压u1相等，vt1为截止状态，vt1管导通时间取决于r2、r3及c1参数与vt1管栅极阈值电压，忽略光耦器件的导通时间（通常小于1μs），导通时间通过公式（2）计算。
式中：ugs（th）为vt1管开启电压；
c为电容器c1容值；
u1功率线输入正端电压；
t为vt1为导通时间。
通常，继电器驱动信号为脉冲信号，高电平持续时间t1为80ms，在脉冲信号为高电平时，忽略光藕器件的导通时间，vt1立即为导通状态；在脉冲信号为低电平时，忽略光藕器件的截止时间，vt1立即为截止状态。
根据以上分析，得到以下结果：
（1）在脉冲信号为高电平时，vt1立即导通；
（2）若通过公式（2）中计算出t小于驱动信号高电平持续时间t1，则vt1导通时间可通过公式2计算出。
（3）若通过公式（2）中计算出t大于驱动信号高电平持续时间t1，则vt1导通时间等于驱动信号高电平持续时间t1。
4 仿真验证 利用saber软件，得到r5处电路仿真结果见图3。
通过仿真，可以看出，mosfet管导通时间为80ms左右。
5 实验验证 实验边界条件如下：
（1）取r2=15kω，r3=15kω，c1=4．7μf、c2=10μf、r5=2．7ω；
（2）p沟道mosfet型号为irf5210；
（3）继电器采用3jb20-3型继电器，单触点额定电流为15a，触点动作时间为6．4ms，线圈额定电压为28v；
（4）设定功率线输入正端电压u1=28v，未采用浪涌旁路保护电路时，流过继电器触点k1的电流波形见图4。
实际测试结果如下：
（1）脉冲驱动信号高电平为28v，持续时间为80ms；
（2）流过继电器触点k1的额定电流值为10a，浪涌电流值最大为49．4a，幅值已超过了继电器触点的额定电流值，持续时间为4．8ms。
采用浪涌旁路保护电路后，流过继电器触点k1的电流波形见图5。
实际测试结果如下：
（1）脉冲驱动信号高电平为28v，持续时间为80ms；
（2）脉冲信号高电平建立6．4ms后继电器触点接通，流过继电器触点k1的电流值为3．6a，80ms驱动信号为低电平，q1截止，电流全部流过继电器触点，电流值为10a。
根据以上测试结果，浪涌旁路保护电路满足设计要求，在功率线输入正端电压u1接通瞬间，由于电容器产生的浪涌电流被浪涌旁路保护电路旁路（浪涌电流持续时间为4．8ms），在继电器触点接通（脉冲信号高电平建立后6．4ms）前，回路中电流值已恢复到额定电流值，能够确保继电器触点安全。
6 结束语 通过分析及对比实验，浪涌旁路保护电路能够确保规避继电器触点受到浪涌电流的冲击，满足继电器用于航天产品中高可靠性的要求，是一种提高继电器触点抗浪涌能力的一种新颖保护电路，该电路已应用于某卫星型号地面设备，取得了良好效果。
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重新发现采用SIC FET的完美开关
嵌入式操作系统任务切换方法对比分析
为什么有些电路中使用MOS管？而有些电路用IGBT管？
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旁路电路：旁路用电设备在启动瞬间产生大电流的电路；
esl：电容器的等效串联电感；
esr：电容器等效串联电阻。
2 浪涌电流产生的原因 通常情况下，在设备加电时，电容器是产生浪涌电流的主要原因，原理示意图见图1。
上图中k1闭合后，电容器c开始充电，若将直流电源、开关k1以及连接的导线看作理想状态（直流电源可提供足够大的电流且内阻为零，k1接触电阻为零，导线线阻为零），在电容器充电瞬间，产生的浪涌电流可根据公式1进行近似计算。
式中：i——浪涌电流
u——直流电源输出电压
esr——电容器等效串联电阻
虽然电容电器esl对输入浪涌电流有一定的抑制作用，但电感量较小，抑制作用也较小，可忽略。通常电容器esr均比较小，例如，在100khz下测量，液体钽电容器的esr一般为几百毫欧，聚脂电容的esr一般为几十毫欧，而陶瓷电容的fsr一般为几毫欧。所以在电容器加电瞬间，会产生较大的浪涌电流。
以上是针对电容器在加电瞬间产生的浪涌电流所进行的分析，若其它设备或元器件在加电瞬间与电容器具有类似特性，则同样会产生较大的浪涌电流，如蓄电池在充电状念下也会产生上百安培的浪涌电流。
3 旁路保护电路分析 浪涌旁路保护电路原理图见图2。
图中：r1、r2、r3、r4、r5为电阻器；
c1、c2为钽电容器；
g1为光耦器件；
vt1为p沟道mosfet；
k1为继电器触点。
工作原理如下：
在驱动信号接通后，线圈加电，继电器的吸合为机械动作过程，接通时间为5～15ms。
浪涌旁路保护电路与继电器线圈同步接收驱动信号，g1导通前，vt1栅极电压与功率线输入正端电压u1相等，vt1为截止状态。
g1导通后，功率线输入正端电压u1经r2、r3为电容c1充电，c1在充电开始阶段，vt1栅极电压通过公式1计算，忽略光藕器件的导通时间，此时vt1为导通状态。
随c1电压不断上升，vt1栅极电压逐渐升高，当c1充电完成后，vt1栅极电压与功率线输入正端电压u1相等，vt1为截止状态，vt1管导通时间取决于r2、r3及c1参数与vt1管栅极阈值电压，忽略光耦器件的导通时间（通常小于1μs），导通时间通过公式（2）计算。
式中：ugs（th）为vt1管开启电压；
c为电容器c1容值；
u1功率线输入正端电压；
t为vt1为导通时间。
通常，继电器驱动信号为脉冲信号，高电平持续时间t1为80ms，在脉冲信号为高电平时，忽略光藕器件的导通时间，vt1立即为导通状态；在脉冲信号为低电平时，忽略光藕器件的截止时间，vt1立即为截止状态。
根据以上分析，得到以下结果：
（1）在脉冲信号为高电平时，vt1立即导通；
（2）若通过公式（2）中计算出t小于驱动信号高电平持续时间t1，则vt1导通时间可通过公式2计算出。
（3）若通过公式（2）中计算出t大于驱动信号高电平持续时间t1，则vt1导通时间等于驱动信号高电平持续时间t1。
4 仿真验证 利用saber软件，得到r5处电路仿真结果见图3。
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（2）流过继电器触点k1的额定电流值为10a，浪涌电流值最大为49．4a，幅值已超过了继电器触点的额定电流值，持续时间为4．8ms。
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（2）脉冲信号高电平建立6．4ms后继电器触点接通，流过继电器触点k1的电流值为3．6a，80ms驱动信号为低电平，q1截止，电流全部流过继电器触点，电流值为10a。
根据以上测试结果，浪涌旁路保护电路满足设计要求，在功率线输入正端电压u1接通瞬间，由于电容器产生的浪涌电流被浪涌旁路保护电路旁路（浪涌电流持续时间为4．8ms），在继电器触点接通（脉冲信号高电平建立后6．4ms）前，回路中电流值已恢复到额定电流值，能够确保继电器触点安全。
6 结束语 通过分析及对比实验，浪涌旁路保护电路能够确保规避继电器触点受到浪涌电流的冲击，满足继电器用于航天产品中高可靠性的要求，是一种提高继电器触点抗浪涌能力的一种新颖保护电路，该电路已应用于某卫星型号地面设备，取得了良好效果。
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