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AND8116

器件型号:AND8116
厂商名称:ON Semiconductor
厂商官网:http://www.onsemi.cn
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Integrated Relay/Inductive Load Drivers for Industrial and Automotive Applications

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AND8116/D                                                                http://onsemi.com

Integrated Relay/Inductive                                         APPLICATION NOTE
Load Drivers for Industrial
and Automotive
Applications

Prepared by: Alejandro Lara
ON Semiconductor

                             Abstract                              Industrial and Automotive Application Requirements
  Most PC board mounted relays are driven by                         The device requirements for industrial and automotive
microprocessors or other sensitive electronic devices. A
successful coil drive circuit requires isolation between the       applications are different and must be addressed in different
relay and the microprocessor circuitry. Effective drive            manner. While the requirements for automotive applications
circuits must account for drive current and voltage                are the most difficult to comply with, industrial
requirements as well as effective suppression of L di/dt           requirements traditionally allow more latitudes. Relay coil
transients which can destroy microprocessor circuits. While        currents vary considerably depending on the applications.
it is easy to over-design an effective drive circuit, today's      The largest class of industrial and automotive relays have
designs must be cost competitive. Integrating a monolithic         coils with current consumption between 50 and 150 mA.
IC driver device into the relay will provide significant value
to the system designer.                                              Selection of a suitable relay driver requires many
  This paper describes the operation of                            constraints to be evaluated. For automotive applications, it
ON Semiconductor's integrated relay driver products to             is necessary to put special attention in the following
interface sensitive electronic devices with mechanical             requirements:
relays to accomplish different control/power functions.
Important benefits such as PC board space savings and               Load dump (80 V, 300 msec)
components count reduction are also explained.                      Dual voltage jump start (24 V or more)
                                                                   Reverse battery (-14 V, 1minute or more)
Introduction                                                       ESD immunity (according AEC-Q100 specification)
  Although the advances in the electronics industry are             Operating ambient temperature (-40C to 85C)

increasing day by day, mechanical relays are still                   Meeting these automotive requirements usually results in
extensively used in industrial and automotive applications to      specifying an oversized and non-cost effective relay driver,
control high current loads. Their low cost and excellent fault     or one requiring many protection components.
tolerance make relays to be an useful and reliable solution
in industrial and automotive applications environments. The          Industrial applications on the other hand do not have many
integrated relay driver devices NUD3105, NUD3112 and               requirements different than the standard ones such as ESD
NUD3124 offered by ON Semiconductor are considered to              immunity (usually 2.0 kV HBM), and a given range of
be the ideal device solution to control mechanical relays          operating ambient temperature (usually between 0C to
used in industrial and automotive applications. Their              85C). However, some applications also call for protection
integrated design allows significant simplification and cost       devices against transient voltage conditions, which creates
reductions when replacing traditional discrete solutions           the need for extra protection components too.
such as bipolar transistors plus free-wheeling diodes.

Semiconductor Components Industries, LLC, 2003                1  Publication Order Number:
                                                                                      AND8116/D
September, 2003 - Rev. 1
                                               AND8116/D

Standard Discrete RELAY DRIVERS                                  ON Semiconductor's RELAY DRIVERS
  For both type of applications industrial and automotive,         The ON Semiconductor's relay drivers portfolio is

the most traditional and popular relay drivers are the ones      divided in two main categories:
formed discretely with a bipolar transistor, two bias resistors
and a free-wheeling diode. In some cases, it is required to       Industrial version (devices NUD3105, NUD3112)
add extra components such as MOVs (metal oxide varistors)         Automotive version (device NUD3124)
and extra diodes to ensure proper protection. Figure 1 shows
a typical discrete relay driver with the extra protection        Industrial Version
devices. Diode D1 provides reverse supply protection and           Figure 2 describes the industrial relay driver version
diode D2 provides a clamp function to suppress the voltage
spike generated by the relay's coil during the turn-off          (devices NUD3105, NUD3112). This device integrates
interactions (V = Ldi/dt). A power MOV device is used to         several discrete components in a single SOT-23 three
limit positive transients to within the bipolar transistor's     leaded surface mount package to achieve a simpler and more
breakdown voltage. The saturation voltage of the bipolar         efficient solution than the conventional discrete relay
transistor (typically over 1.0 V) causes high power              drivers. The characteristics of the integrated devices are
dissipation which in some cases eliminates the option to use     listed below:
inexpensive surface mount package devices such as
SOT-23 or smaller, therefore the need for bigger packages         N-channel FET 40 V, 500 mA
such as TO220 is always present. The resulting discrete          ESD protection Zener diodes (7.0 V)
circuit is expensive because it takes several components and      Bias resistors (1.0 K W in the gate and 300 K W
a big space in the PC board.
                                                                    between gate and source)
                                               +12 V
                                                                  Clamping protection Zener diodes (7.0 V for 5.0 V

                                                                    relay's coils, and 14 V for 12 V coils)

                                                                                                               Drain (3)

                        D1

                                                                 Gate (1)          1.0 k  Clamp Zener
                                                                                  300 k   7 V or 14 V
                    D2        RELAY                                        ESD
                                                                           Zener          Clamp Zener
                                                                           7V             7 V or 14 V

+5 V/3.3 V                                                                 ESD
                                                                           Zener
                R1        Q1         VARISTOR                              7V
LOGIC               R2

                                  0                                                                           Source (2)
Figure 1. Typical Discrete Relay Driver
                                                                           Figure 2. Industrial Relay Driver Description
                                                                                  (NUD3105 and NUD3112 Devices)

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                                                      2
                                    AND8116/D

  The 40 V N-channel FET is designed to switch the relay's     against ESD conditions possibly induced by persons during
coil for currents up to 500 mA. The clamping protection        the handling or assembly of the device. And the bias resistor
Zener diodes (14 V) provides a clamp function to suppress      provides the drive control signals to the FET.
the voltage spike generated by the relay's coil during the
turn-off interactions (V = Ldi/dt). The ESD protection            Figure 3 illustrates the typical connection diagram of the
Zener diodes protects the gate-source silicon junction         NUD3105 / NUD3112 devices:

                                                               +12 V/5.0 V

                  NUD3105, NUD3112                             RELAY
+5 V/3.3 V
                                                                        Clamp Zener
LOGIC                                1.0 k                              7 V or 14 V
                                    300 k                               Clamp Zener
       ESD                                                              7 V or 14 V
       Zener
       14 V

       ESD
       Zener
       14 V

                                                                0

                 Figure 3. Typical Connection Diagram
       (NUD3105 5.0 V Relay's Coils and NUD3112 for 12 V)

  When positive logic voltage is applied to the gate of the     VSUPPLY 10 V/div
device (5.0 V/3.3 V), the FET is turned-on which activates     VGS 10 V/div
the relay. When the FET is turned-off, the relay's coil is
deactivated which causes it to kickback and generates a high   VDS 10 V/div        Inductor
voltage spike, this voltage spike is suppressed by the clamp                         kick back
Zener diodes placed across the FET. This operation
sequence is repeated for all the on and off operations of the  ID 50 mA/div
relay driver. Figure 4 shows the voltage and current
waveforms generated across the NUD3112 relay driver            Figure 4. Traces Generated Across NUD3112 Device
when it is controlling an OMRON relay (G8TB-1A-64).                   when Driving OMRON Relay G8TB-1A-64
This relay has the following coil characteristics: L = 46 mH,
Rdc = 100 W. The current that the relay takes for 12 V of
supply voltage is 120 mA. The integrated FET has a typical
on-resistance of 1.0 W, therefore the power dissipation
generated in the FET is around 15 mW (P = I2R) at 25C of
ambient temperature. It results in an on-voltage drop of only
125 mV at 120 mA of current.

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                                                                AND8116/D

  Based on the relay coil specifications, the energy that is             The 40 V N-channel FET is designed to switch on and off
transferred to the driver by the relay's coils can be                  the relay's coil for currents up to 200 mA. The clamping
theoretically calculated by using the formula E = L I2,              protection Zener diodes (28 V) provides an active clamp
which results in 0.331 mJ. The avalanche energy capability             function to drain to ground the voltage spikes generated by
of the NUD3105 and NUD3112 devices is 50 mJ, so the                    the relay's coils during the turn-off interactions (V = Ldi/dt).
0.331 mJ transferred by the OMRON relay only represents                This function is achieved by partially activating the FET
a 0.65% of their energy capability. The same theoretical               through the clamp Zener diodes anytime the voltage across
principle (E = L I2) can be used to find out the type of             them reaches their breakdown voltage level (28 V). The
relay's coils that the NUD3105 and NUD3112 devices can                 ESD protection Zener diodes protects the gate-source
drive. For these purposes, one needs to know the inductance            silicon junction against ESD conditions possibly induced by
and current characteristics of the relay's coil to calculate the       persons during the handling or assembly of the device. And
energy that will be transferred. The resulting energy should           the bias resistor provides the drive control signals to the FET.
not exceed the 50 mJ at which the devices are rated.
                                                                         Figure 6 illustrates the typical connection diagram of the
Automotive Version                                                     NUD3124 device.
  Figure 5 describes the automotive relay driver version
                                                                                                                                +12 V (Car's Battery)
(device NUD3124).
  This device also integrates several discrete components in                                              RELAY

a single SOT-23 three leaded surface mount package to                            NUD3124
achieve a simpler and even more robust solution than the
conventional discrete relay drivers. The characteristics of                      Clamp Zener
the integrated devices are listed below:                                                    28 V

N-channel FET 40 V, 150 mA                                           Gate (1)  Clamp Zener
ESD protection Zener diodes (14 V)                                    LOGIC               28 V
Bias resistors (10 kW in the gate and 100 kW between
                                                                                             10 k
   gate and source)
                                                                                 ESD               ESD
Clamping protection Zener diodes (28 V) to perform as                          Zener             Zener
                                                                                 14 V              14 V
   an active clamp function.
                                                                                 ESD               ESD
                                                            Drain (3)            Zener             Zener
                                                                                 14 V              14 V
                                                                                          100 k

          Clamp Zener
                     28 V

          Clamp Zener
                     28 V

Gate (1)         10 k                                                                                                                  Source (2)

          ESD    100 k     ESD                                                  Figure 6. Typical Connection Diagram for
          Zener            Zener                                               Automotive Relay Driver (NUD3124 Device)
          14 V             14 V
                                                                         When positive logic voltage is applied to the gate of the
          ESD              ESD                                         device (5.0 V/3.3 V), the FET is turned-on which activates
          Zener            Zener                                       the relay. When the FET is turned-off, the relay's coil is
          14 V             14 V                                        deactivated which causes it to kickback and generates a high
                                                                       voltage spike. This voltage spike causes the clamp Zener
                                                    Source (2)         diodes (28 V) to breakdown which partially activates the
                                                                       FET to drain this condition to ground. This operation
Figure 5. Automotive Relay Driver Description                          sequence is repeated for all the on and off operations of the
                    (NUD3124 Device)                                   relay driver.

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                 AND8116/D

  Figure 7 shows the voltage and current waveforms             activating the FET anytime transient voltage conditions
generated across the NUD3124 relay driver when it is           exceed the breakdown voltage of the clamp Zener diodes
controlling an OMRON relay (G8TB-1A-64). This relay            (28 V). The energy capability of the NUD3124 device is
has the following coil characteristics: L = 46 mH, Rdc =       350 mJ typically. Figure 8 shows an oscilloscope picture of
100 W. The current that the OMRON relay takes for 12 V of      a surge test applied to the device when it was characterized
supply voltage is 120 mA. The integrated FET has a typical     to find its maximum reverse avalanche energy capability.
on-resistance of 1.0 W, therefore the power dissipation
generated in the FET is around 15 mW (P=I2R) at 25C of          The high reverse avalanche energy capability of this
ambient temperature. It results in an on-voltage drop of only  device (350 mJ) allows to control most of the relays used in
125 mV at 120 mA of current.                                   automotive applications since they usually have coils
                                                               between 50 mA and 150 mA with inductance values lower
                  VSUPPLY 10 V/div                           than 1 Henry. These type of coils do not transfer high levels
                 VGS 10 V/div                                of energy to the NUD3124 device (E = L I2), and therefore
                                                               each of them can be controlled with the same device
                                             Inductor          (NUD3124). Big advantages are obtained when a common
                                             kick back         relay driver product is used to control the majority of the
                                                               relays used in a particular application circuit. PC board
                   VDS 10 V/div                              space is saved and the circuit design is optimized. In
                                                               addition, components count purchasing operations are also
                   ID 50 mA/div                              simplified.

      Figure 7. Waveforms Generated Across the                   The active clamp characteristic of the NUD3124 device
          NUD3124 when Driving OMRON Relay                     also allows it to comply with automotive requirements of
                            G8TB-1A-64                         load dump and other voltage transients required by the
                                                               automotive specifications. Load dump transients are
  Unlike the NUD3105 and NUD3112 devices (industrial           generated by the vehicle's alternator when the battery
version), the unique design of the NUD3124 device              connection fails during heavy charging. These type of
(automotive version) provides the active clamp feature that    transients could occur when the relay is on or off. Although
allows higher reverse avalanche energy capability by           automotive requirements for load dump vary between
                                                               suppliers, it has been learned that most of the load dump
                                                               requirements can be covered by devices which can sustain
                                                               a load dump transient of 60 V with 350 msec of duration.
                                                               Figure 9 shows a load dump transient of 60 V and 350 msec
                                                               of duration.

VGS 10 V/div   Conversion Factors:
ID 100 mA/div  Ch2 Max * 100
Ppk = Ch2 x Ch3  Ch3 Max * 10
                 M1 Area * 1000

                                = 351 mJ

Figure 8. Waveforms Generated Across the                       Figure 9. Load Dump Transient Waveform
     NUD3124 Device During Surge Test                                           (60 V, 350 msec).

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  The 73 V waveform shown in the oscilloscope picture             RELAY MODULE
(Figure 9) resulted from the 60 V load dump transient plus          The benefits of the ON Semiconductor's relay driver
the vehicle's battery voltage (13 V). In the application field,
the relay driver (NUD3124) is always connected to relays,         devices (NUD3105, NUD3112 and NUD3124) are even
therefore if a load dump condition occurs, the current is         more unique and useful if they are integrated inside the relay
limited by the relay's coil resistance which reduces the          body to create relay modules that can be driven directly from
amount of energy that the relay driver (NUD3124) needs to         the logic circuitry. The advantages are:
drain to ground. Figure 10 shows an oscilloscope picture
with the waveforms generated across the NUD3124 device             No need for external driver device
when it is subjected to a load dump transient. For this case,      PC board space reduction
the device is controlling an OMRON relay (G8TB-1A-64)             Reduction for insertion operations.
                                                                   Optimized design for lower cost
  The most stressful and aggressive requirement for
automotive transients is load dump. Therefore if a device is        All the previous advantages will result in costs reduction
able to comply with this requirement, it is assured that it will  for industrial and automotive applications which have the
sustain all the other less aggressive transients such as 240 V    need for mechanical relays. Figure 10 describes graphically
(10 W source impedance), 350 ms time-duration type.               the design of the relay module. Some relay manufacturers
                                                                  already integrate a diode connected in parallel with the
  In addition to complying with the load dump transient           relay's coil to simplify the driver circuitry. Others are
requirements and all the other smaller automotive transients,     considering to develop the concept of the relay module. The
the NUD3124 device also complies with other automotive            major goal of the relay's manufacturers is to offer more
requirements such as reverse battery (-14 V, 1 minute or          added value to their customers for design optimization and
more) and dual voltage jump start (24 V "10%).                    cost reduction.

  If a reverse battery condition occurs, it will cause the body                                                                  Conversion factors:
diode of the FET to be forward biased and hence conduct.                                                                         Ch1 Direct (Volts)
During this condition, the current will be limited by the                                                                        Ch2 Max * 20 (Amp)
relay's coil resistance to a safe level causing the relay be                                                                     Ch3 Direct (Volts)
energized. With the traditional discrete approach, damage                                                                        M1 Area * 20 (Joules)
can occur to the control logic circuitry due to a possible
current path from a reverse connected battery through the                                                        Load Dump Transient 20 V/div
driver to the logic's output. This possibility is eliminated
when the NUD3124 device is used.                                                                                ID 100 mA/div

  If a dual voltage jump start is used (24 V or more), the        VDS 20V/div    = 73 mJ
NUD3124 device will remain in its off-state and therefore         Ppk = Ch2 x Ch3
the relays will too. This is the ideal operation required during
a dual voltage jump start condition, otherwise the relays           Figure 10. Waveforms Generated Across the
would be activated and could create serious operation             NUD3124 Device During a Load Dump Transient
problems in the equipment or functions that they are
controlling (windows, seats, etc.).

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              RELAY MODULE

    Coil (+)                       COM       NC       Common
Logic Input                          A       NO       NC
                                                      NO
    Ground                                     RELAY

              Clamp Zener                 B
                         28 V
                                   ESD
              Clamp Zener          Zener
                         28 V      14 V
                                   ESD
              ESD            10 k  Zener
              Zener         100 k  14 V
              14 V

              ESD
              Zener
              14 V

Figure 11. Relay Module Formed by the Integration of the NUD3124 Device within the Relay Body

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Summary                                                             applications. It is also packaged in a small three leaded
  The traditional discrete relay driver approach (bipolar           surface mount SOT-23 package that allows optimum
                                                                    operation with reduced PC board space for cost reductions.
transistor, bias resistors and free-wheeling diode) is
expensive because it takes several components and a big               The relay module represents significant benefits for the
space in the PC board. In some cases it requires extra              industrial and automotive relay markets. It reduces PC board
protection components to achieve proper functionality in            space and optimize the circuits design. These benefits result
automotive and some industrial applications.                        in a significant added value and cost reduction for
                                                                    customers. Advantages like these are always a premium.
  The NUD3105 and NUD3112 relay driver devices offered
by ON Semiconductor replace the traditional discrete relay          References
driver approach by integrating all the necessary components              1. ON Semiconductor website: www.onsemi.com
through a monolithic process. Their integrated design is                 2. A. E. Fitzgerald, David E. Higginbotham, Arvin
packaged in a small three leaded surface mount SOT-23                        G. Basic Electrical Engineering, fifth edition,
package that allows optimum operation with reduced PC                        1981.
board space, which results in cost savings from the                      3. VISTEON engineering specification, revision 3,
manufacturing and components count stand point.                              May 1988.
                                                                         4. Automotive Electronics Council Specification
  The NUD3124 device is intended for automotive                              AEC Q100 Rev E, January 2001.
applications. It fully complies with major automotive                    5. JEDEC ESD specification, EIA JESD22-A114-A,
requirements such as load dump, reverse battery, dual                        June 2000.
voltage jump start and ESD. Its unique active clamp design
makes this device to be a robust driver for automotive

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