如何使用SSR實(shí)現(xiàn)更高可靠性的隔離和更小的解決方案尺寸
加入技術(shù)交流群
在發(fā)明晶體管之前，繼電器一直被用作開(kāi)關(guān)。從低壓信號(hào)安全地控制高壓系統(tǒng)（如隔離電阻監(jiān)測(cè)中的情況）的能力是開(kāi)發(fā)許多汽車(chē)系統(tǒng)所必需的。盡管機(jī)電式繼電器和接觸器技術(shù)多年來(lái)有所改進(jìn)，但對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，要實(shí)現(xiàn)其壽命可靠性和快速開(kāi)關(guān)速度以及低噪聲、沖擊振動(dòng)和功耗目標(biāo)，仍然具有挑戰(zhàn)性。
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/202205/434037.htm電容式和電感式隔離固態(tài)繼電器 (SSR) 具有性能和成本優(yōu)勢(shì)，并且適合不同級(jí)別的隔離（無(wú)論是基礎(chǔ)型還是增強(qiáng)型）。與機(jī)電繼電器和固態(tài)光繼電器等替代技術(shù)相比，SSR 也具有優(yōu)勢(shì)。
傳統(tǒng)繼電器開(kāi)關(guān)解決方案
機(jī)電繼電器 (EMR) 在高壓開(kāi)關(guān)應(yīng)用中很常見(jiàn)。EMR使用電磁力來(lái)機(jī)械地打開(kāi)和關(guān)閉觸點(diǎn)。鑒于其機(jī)械特性，EMR具有極低的導(dǎo)通電阻。它們的觸點(diǎn)本質(zhì)上是金屬對(duì)金屬的連接。
在開(kāi)關(guān)速度和可靠性方面，EMR確實(shí)需要權(quán)衡取舍。繼電器內(nèi)部的活動(dòng)器件是一個(gè)限制因素，開(kāi)關(guān)速度通常在5ms到15ms范圍內(nèi)。隨著時(shí)間的推移和使用，EMR可能會(huì)出現(xiàn)諸如拱起、顫動(dòng)和焊接閉合等故障。
與EMR不同，光繼電器沒(méi)有活動(dòng)器件，并可提供高隔離電壓。光繼電器是對(duì)傳統(tǒng) EMR 的改進(jìn)；但是，它們也有設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，例如對(duì)可實(shí)現(xiàn)的功率傳輸?shù)南拗埔约皟?nèi)部LED的老化。此外，光繼電器需要外部限流電阻器，并且通常使用額外的場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 來(lái)管理LED的開(kāi)或關(guān)狀態(tài)。
SSR中的電容式和電感式隔離
TI的隔離式SSR可用作開(kāi)關(guān)（帶有集成FET）或用于控制外部FET的驅(qū)動(dòng)器。無(wú)論是利用電容隔離還是磁隔離，TI的隔離式SSR產(chǎn)品系列都可以實(shí)現(xiàn)具有基礎(chǔ)型或增強(qiáng)型隔離級(jí)別的設(shè)計(jì)。與EMR相比，TI的TPSI2140-Q1隔離式開(kāi)關(guān)和TPSI3050-Q1隔離式驅(qū)動(dòng)器具有更高的可靠性和更長(zhǎng)的使用壽命，因?yàn)樗鼈儾粫?huì)隨著時(shí)間的推移而出現(xiàn)機(jī)械性能變差的情況。因此，SSR的壽命可靠性是傳統(tǒng)EMR的10倍。TI的SSR還可以在幾微秒內(nèi)進(jìn)行切換，比EMR快幾個(gè)數(shù)量級(jí)。
由于TPSI3050-Q1和TPSI2140-Q1通過(guò)單個(gè)隔離柵集成了電源和信號(hào)傳輸，因此無(wú)需二次偏置電源，從而可以實(shí)現(xiàn)減小解決方案尺寸。圖1說(shuō)明了在高壓系統(tǒng)中使用TPSI2140-Q1隔離開(kāi)關(guān)，消除了偏置電源和外部控制電路等外部元件。
圖1 TPSI2140-Q1 隔離式開(kāi)關(guān)減小了高壓系統(tǒng)中的解決方案尺寸
與傳統(tǒng)光繼電器和光耦合器相比，TPSI2140-Q1和TPSI3050-Q1等SSR也具有優(yōu)勢(shì)。TPSI2140-Q1和TPSI3050-Q1等TI器件的可靠性優(yōu)于光繼電器，因?yàn)椴淮嬖贚ED老化情況。無(wú)需外部控制電路，因?yàn)檫壿嬰娖捷斎肟梢灾苯域?qū)動(dòng)系統(tǒng)。表1定性地比較了這些隔離開(kāi)關(guān)技術(shù)。
表1 現(xiàn)有開(kāi)關(guān)解決方案的比較情況
機(jī)電繼電器 | 光繼電器 | 具有電容式和電感式隔離的 TI SSR | |
絕緣材料 | 空氣或環(huán)氧樹(shù)脂 | 環(huán)氧樹(shù)脂或聚酰亞胺 | 聚酰亞胺或二氧化硅 |
介電強(qiáng)度 (1s) | ?1VRMS/μm ?20VRMS/μm | ?20VRMS/μm ?300VRMS/μm | ?300VRMS/μm ?500VRMS/μm |
優(yōu)勢(shì) | 低電阻 | 低電磁干擾 (EMI)輻射 | 高速 (μs) 低功耗 |
劣勢(shì) | 低速 (ms) 機(jī)械磨損、振動(dòng)/磁抗擾度 | 光化降級(jí)和局部放電 | 必須設(shè)計(jì)為限制 EMI |
工作環(huán)境溫度 | -40°C 至 85°C | -40°C 至 85°C | -40°C 至 125°C |
結(jié)語(yǔ)
TI的隔離式SSR以超快的速度、超高的工作溫度和超低的系統(tǒng)成本提供超高的介電強(qiáng)度，還可以在更小的封裝中實(shí)現(xiàn)更可靠的開(kāi)關(guān)。
評(píng)論