如何使用SSR實現(xiàn)更高可靠性的隔離和更小的解決方案尺寸

在發(fā)明晶體管之前，繼電器一直被用作開關(guān)。從低壓信號安全地控制高壓系統(tǒng)（如隔離電阻監(jiān)測中的情況）的能力是開發(fā)許多汽車系統(tǒng)所必需的。盡管機電式繼電器和接觸器技術(shù)多年來有所改進，但對于設(shè)計人員來說，要實現(xiàn)其壽命可靠性和快速開關(guān)速度以及低噪聲、沖擊振動和功耗目標，仍然具有挑戰(zhàn)性。

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，并且適合不同級別的隔離（無論是基礎(chǔ)型還是增強型）。與機電繼電器和固態(tài)光繼電器等替代技術(shù)相比，SSR 也具有優(yōu)勢。

傳統(tǒng)繼電器開關(guān)解決方案

機電繼電器 (EMR) 在高壓開關(guān)應用中很常見。EMR使用電磁力來機械地打開和關(guān)閉觸點。鑒于其機械特性，EMR具有極低的導通電阻。它們的觸點本質(zhì)上是金屬對金屬的連接。

在開關(guān)速度和可靠性方面，EMR確實需要權(quán)衡取舍。繼電器內(nèi)部的活動器件是一個限制因素，開關(guān)速度通常在5ms到15ms范圍內(nèi)。隨著時間的推移和使用，EMR可能會出現(xiàn)諸如拱起、顫動和焊接閉合等故障。

與EMR不同，光繼電器沒有活動器件，并可提供高隔離電壓。光繼電器是對傳統(tǒng) EMR 的改進；但是，它們也有設(shè)計注意事項，例如對可實現(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效應晶體管 (FET) 來管理LED的開或關(guān)狀態(tài)。

SSR中的電容式和電感式隔離

TI的隔離式SSR可用作開關(guān)（帶有集成FET）或用于控制外部FET的驅(qū)動器。無論是利用電容隔離還是磁隔離，TI的隔離式SSR產(chǎn)品系列都可以實現(xiàn)具有基礎(chǔ)型或增強型隔離級別的設(shè)計。與EMR相比，TI的TPSI2140-Q1隔離式開關(guān)和TPSI3050-Q1隔離式驅(qū)動器具有更高的可靠性和更長的使用壽命，因為它們不會隨著時間的推移而出現(xiàn)機械性能變差的情況。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)進行切換，比EMR快幾個數(shù)量級。

由于TPSI3050-Q1和TPSI2140-Q1通過單個隔離柵集成了電源和信號傳輸，因此無需二次偏置電源，從而可以實現(xiàn)減小解決方案尺寸。圖1說明了在高壓系統(tǒng)中使用TPSI2140-Q1隔離開關(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。TPSI2140-Q1和TPSI3050-Q1等TI器件的可靠性優(yōu)于光繼電器，因為不存在LED老化情況。無需外部控制電路，因為邏輯電平輸入可以直接驅(qū)動系統(tǒng)。表1定性地比較了這些隔離開關(guān)技術(shù)。

表1 現(xiàn)有開關(guān)解決方案的比較情況

結(jié)語

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度，還可以在更小的封裝中實現(xiàn)更可靠的開關(guān)。