開關(guān)切換電流的差異分析

　　1. 概述

　　市面上有很多的開關(guān)，用于切換電壓、電流信號(hào)，如Pickering生產(chǎn)的1000多種PXI開關(guān)模塊，其中很多模塊是可以切換很高電流的。

　　本文是基于Pickering的開關(guān)模塊來闡述相關(guān)觀點(diǎn)的。

　　針對(duì)于單個(gè)開關(guān)來說，一般都有標(biāo)稱的切換電流，而且這些都有熱切換和冷切換的區(qū)分的(熱切換和冷切換的區(qū)別就在于在切換的時(shí)候是否有電壓存在)。由于熱切換是有一定的限制的，當(dāng)進(jìn)行熱切換的時(shí)候，由于直流電壓的增加，經(jīng)常會(huì)伴隨著對(duì)功率的限制。

　　在使用模塊的時(shí)候，多多少少都會(huì)有一些限制，而且這些限制一般是由下面的幾點(diǎn)引起的：

　　1) 在開關(guān)中的功率的損失，另外增加了在單個(gè)槽位中PXI接口和線圈驅(qū)動(dòng)方面的功率損耗;

　　2) 在閉合的時(shí)候，會(huì)因?yàn)橛袩崃康漠a(chǎn)生而引起觸點(diǎn)之間可能會(huì)融化，然后焊接在一起;

　　3) 由于周圍電路的元器件損耗了功率而使得某部分的元件超過了它本身的熱承受能力;

　　4) 由于機(jī)箱的冷卻機(jī)制的限制，以及在單個(gè)槽位上的承載功率的限制。

　　PXI標(biāo)準(zhǔn)要求在單個(gè)槽位中，必須要承受25W的功率，但是實(shí)際使用中無法準(zhǔn)確地判斷這個(gè)槽位產(chǎn)生的熱量會(huì)對(duì)旁邊的槽位產(chǎn)生多大的影響。機(jī)箱底盤可以在某些槽位中提供大于25W的功率的冷卻量，但是，如果所有的槽位都在工作的話，那么機(jī)箱可能會(huì)承受不起。如果只是其中的一兩個(gè)槽位的功率比較大，那么這樣一般都不會(huì)出現(xiàn)什么問題。

　　在設(shè)計(jì)生產(chǎn)大電流的開關(guān)的時(shí)候，Pickering一般會(huì)測(cè)試它的溫度的上升等變化，并且也會(huì)在55℃的環(huán)境溫度下進(jìn)行可靠性測(cè)試。因?yàn)槟K中的不同部分的溫度上升的趨勢(shì)是不一樣的，所以，在檢測(cè)的時(shí)候，Pickering都會(huì)進(jìn)行全面的監(jiān)控和檢測(cè)。

　　2. 檢測(cè)模塊的方法

　　為了測(cè)試模塊，首先需要做的是搭建增強(qiáng)版的樣機(jī)，然后進(jìn)行一系列的測(cè)試，最重要的部分是采用一系列的溫度傳感器來監(jiān)控周圍的所有部分的溫度。

　　我們會(huì)在很多種復(fù)合的路徑中加載電流，并同時(shí)檢測(cè)所有的元件的狀態(tài)，同時(shí)會(huì)記錄溫度跟隨著時(shí)間的變化趨勢(shì)。一般來說，我們都知道需要在哪些地方放置溫度探針來采集溫度信號(hào)，這樣有利于找出有缺陷的地方。

　　我們也會(huì)測(cè)試在路徑中的阻抗，這樣就可以知道用戶在使用的時(shí)候，哪些阻抗會(huì)變大，這個(gè)是很重要的，因?yàn)楦S著阻抗的增大，功率的損耗會(huì)上升的很快的，會(huì)直接影響到模塊的熱負(fù)載能力的。我們也需要關(guān)心的另一方面是開關(guān)在不同的使用狀況下的壽命的變化是怎么樣的。

　　3. 開關(guān)設(shè)計(jì)方案

　　在設(shè)計(jì)的過程中，主要的目的是提高開關(guān)切換電流大小的能力，而且是要所有的通道都是一樣的，比如在一系列的10A電流的單刀單擲開關(guān)組的每個(gè)開關(guān)的能力都是要一樣的。但是為了達(dá)到這個(gè)目的，通道數(shù)就收到了很大的限制，并且，而且可能會(huì)因?yàn)檫@個(gè)而增加了費(fèi)用--這個(gè)可是用戶很關(guān)心的問題!在很多的測(cè)試系統(tǒng)中，電流是通過同時(shí)進(jìn)行的幾個(gè)通道進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的，這些路徑可能會(huì)經(jīng)由系統(tǒng)的任何一個(gè)位置，但是每一次的電流一般都會(huì)比最大的電流小。

　　針對(duì)于一些小電流系統(tǒng)(很有代表性的是2A電流系統(tǒng))，一般都不會(huì)有太多的限制，因?yàn)橄胍⒆銐虻耐ǖ纴響?yīng)付所有的可能存在的情況。比如一個(gè)x8的矩陣只可以在八個(gè)通道中攜帶滿量程的電流，多路復(fù)用器可以在選通的那個(gè)通道中攜帶最大的電流，所以，在多路復(fù)用器模塊中，這些多路復(fù)用的組數(shù)就是可以同時(shí)工作的通道數(shù)。

　　所有的上述的限制，我們都會(huì)在說明書中標(biāo)明的。

　　4. 模塊本身的限制

　　在以前的說明書中，一般都會(huì)標(biāo)注可以攜帶最大電流的通道數(shù)目。但是這樣對(duì)于使用者來說還不是很足夠的，特別是在有混合電流負(fù)載的系統(tǒng)中更加不全面。在最新的說明書中，我們會(huì)標(biāo)注所有的電流平方。

　　之所以會(huì)這樣標(biāo)注，是因?yàn)槿绻_關(guān)系統(tǒng)帶有一個(gè)在可用路徑中常規(guī)的路徑阻抗，那么功率的大小將會(huì)與電流的平方有直接的關(guān)系。

　　舉一個(gè)特殊的例子，比如一個(gè)單刀單擲開關(guān)系統(tǒng)中擁有每個(gè)通道可以切換16A的電流的16個(gè)單刀單擲開關(guān)(內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖，型號(hào)為：40-161-001)，額定是1536A電流平方，現(xiàn)在通過下面的例子來說明：

　　例子一：可以只使用6個(gè)通道，其他的通道沒有電流(因?yàn)槊總€(gè)通道是162=256A，6*256=1536A);

　　例子二：16個(gè)通道同時(shí)工作時(shí)可以切換9.79A電流(因?yàn)?.792=95.84A,6*95.84=1533A);下圖是在額定功率的情況下的熱切換圖示：

　　例子三：為了預(yù)估有幾個(gè)通道可以承載12A的電流，那么122=144，就是10個(gè)通道可以切換12A電流，因?yàn)?44*10=1440<1536A;

　　在規(guī)格書中會(huì)有一定的界限的標(biāo)注的，因?yàn)殚_關(guān)本身有一定的使用壽命，并且阻抗會(huì)跟隨著使用而增大。但是，如果開關(guān)的阻抗上升了很多的話，這個(gè)時(shí)候就需要更換。比如像一個(gè)16A電流的開關(guān)在4毫歐的情況下，就會(huì)增加大概1W的功率損耗。

　　也不是所有的模塊都會(huì)出現(xiàn)這樣的狀況，因?yàn)樵谕ǖ乐g的阻抗很小的時(shí)候，它也是正常的工作的。當(dāng)傳輸?shù)穆窂街g的阻力越大，那功率的損耗就越不可能是這個(gè)引起的。典型的應(yīng)用中的阻抗比最大的阻抗范圍小。

　　在通道的阻抗是不斷變化的時(shí)候，那么就需要采取一種保守的方式來減少使用的誤差。

　　5. 短時(shí)間過載和熱量時(shí)間參數(shù)

　　在開關(guān)系統(tǒng)中的熱量慣性就意味著他可以在短時(shí)間中的有很高的負(fù)載的能力，一般是在一定的時(shí)間段內(nèi)，用負(fù)載的平均量來衡量。這個(gè)時(shí)間參數(shù)一般會(huì)在說明書說明的。

　　比如在16個(gè)單刀單擲的模塊中的所有的通道都有16A的電流，并長(zhǎng)達(dá)30秒，之后又有90秒是沒有任何的電流，那么在這120秒內(nèi)的平均電流的平方是1024A。如果熱參數(shù)是300秒，那么一般在使用的過程中不會(huì)出現(xiàn)負(fù)載過大的問題了。上圖中的說明是可以持續(xù)4分鐘的。下圖是最大電流的承載能力。

　　針對(duì)于這個(gè)熱量時(shí)間參數(shù)的表述，Pickering一般會(huì)增加一些額外的說明的。這個(gè)在詳細(xì)的使用中會(huì)得到相應(yīng)的幫助的。

　　6. 總結(jié)

　　根據(jù)上述的描述，我們可以看到，在使用開關(guān)系統(tǒng)的時(shí)候，需要清楚開關(guān)的切換電流大小，含熱切換和冷切換的電流，以及在短時(shí)間內(nèi)可以承載的大電流的能力等，這些都是可以在說明書中看到的。只有熟悉了這些參數(shù)之后，在搭建開關(guān)系統(tǒng)的時(shí)候才會(huì)考慮到各種可能出現(xiàn)的問題，從而確保系統(tǒng)能夠正常的使用，提高測(cè)試系統(tǒng)的效率。