開關(guān)熱切換模式的特征分析

　　1. 概述

　　熱切換指的是在開關(guān)操作(打開或者是閉合)的時候，開關(guān)上攜帶著信號。它對開關(guān)的壽命有著很大的影響，熱切換的影響比冷切換的影響大的是好幾個數(shù)量級的。

　　開關(guān)的供應(yīng)商一般會在說明書上將這些信息都標(biāo)注出來，但是他們一般都得說明一下在特定的阻抗源和負(fù)載的情況下，這些開關(guān)的參數(shù)是怎么樣的。當(dāng)將開關(guān)放置到開關(guān)系統(tǒng)中之后，會有一些問題的出現(xiàn)的，這些是需要特別注意的，下面就詳細(xì)來說說可能出現(xiàn)的情況。

　　2. 電容性熱切換模式

　　一般而言，對于用戶而言，是很難判斷開關(guān)是處在什么樣的電壓或者電流狀態(tài)下的。當(dāng)一個低阻抗源于一個高阻抗的負(fù)載連接在一起，但是布線或者是負(fù)載包含著很大的寄生電容，那么終點(diǎn)處的開關(guān)將會因為電容的源電荷的存在而經(jīng)受著很高的浪沖電流。當(dāng)開關(guān)連接到一個在初始狀態(tài)就擁有很多電荷的電容性的負(fù)載時，也會有很高的浪沖電流。這種情況一般是存在于用來進(jìn)行極性逆轉(zhuǎn)的開關(guān)系統(tǒng)中，或是在使用的過程中在高阻抗的負(fù)載中殘留了一些電荷。所以，在很多系統(tǒng)中，一般會使用布線等方式來釋放這些剩余的電荷。

　　開關(guān)模塊一般會包括最大的熱切換電壓，而且一般是以連接到某些阻性負(fù)載的情況下使用的。應(yīng)該注意的是，當(dāng)使用的時候有很長的線纜或者是電容性的負(fù)載連接到開關(guān)系統(tǒng)中的時候，說明書上的標(biāo)注的這些參數(shù)都會相應(yīng)的貶值。

　　3. 電源充電模式

　　有一種潛在的比較隱蔽的情況是，當(dāng)電源連接到一個已經(jīng)連接到另外一個電源的負(fù)載上時，開關(guān)所進(jìn)行的也是一種熱切換。這個負(fù)載一般會有一種局部去耦合電容，所以，在突然連接到電源的時候，會引起很大的浪涌電流。這些電流一般都不受電源的電流的限制，因為它們是從電源的解耦負(fù)載中解耦出來的電荷形成的。一些開關(guān)的這些浪涌電流的參數(shù)會比一般的開關(guān)的大，這些開關(guān)有代表性的是那些設(shè)計來專門用于將會大的摩擦動作或者用在高溫環(huán)境的系統(tǒng)中的開關(guān)。固態(tài)繼電器開關(guān)一般都有更加強(qiáng)大的承受能力，它們很適合用于有電源的熱切換系統(tǒng)中，因為它們的電容間的浪涌電流的承受能力會比它們的穩(wěn)態(tài)電流承受能力高一個數(shù)量級。

　　4. 閉合結(jié)構(gòu)的熱切換故障

　　大多數(shù)的機(jī)械開關(guān)的熱切換故障一般都是由于連接部分的過熱以及腐蝕而焊接在一起，或者是帶有變化的或者是間歇性的阻抗，特別是在小電流的情況下更加明顯。融化而焊接的部分一般會引起很大的浪涌電流，因為連接部分是有軟金屬，就很容易熔化。連接錯誤一般會由于腐蝕或是連接的那個位置有一些碎片的存在。

　　熱切換也會在開關(guān)系統(tǒng)中引起很大的波形的變化，在電流中的突然的變化，還有電壓水平的變化會激發(fā)邊路的諧振電路，和外部連接到開關(guān)系統(tǒng)中。這些相對于開關(guān)的操作時間來說是很短的。

　　5. 開放結(jié)構(gòu)中的熱切換故障

　　這種故障的引起一般是因為不熟悉開關(guān)的參數(shù)規(guī)格或者是開關(guān)使用在感性負(fù)載中。

　　當(dāng)開關(guān)使用在一個帶有感性負(fù)載的系統(tǒng)中的時候，突然的打開，或者是突然的關(guān)閉將會產(chǎn)生很高的電壓尖脈沖，這些都是由于在感應(yīng)器中的東西釋放出來了。機(jī)械開關(guān)可以創(chuàng)建一個多個中斷點(diǎn)，或者是一個連續(xù)的弧形。

　　機(jī)械開關(guān)一般帶有一個跟隨著電壓的增長而迅速下降的電流參數(shù)，因為有感性負(fù)載的存在的時候，這些參數(shù)會有比較大的變化，并且這些能力的退化不是很容易標(biāo)定的。

　　在固態(tài)開關(guān)中，電流的變化一般會比機(jī)械開關(guān)的慢一些，但是由于感性負(fù)載的存在也將會產(chǎn)生電壓尖脈沖，這些尖脈沖將會引起由于超過了固態(tài)開關(guān)的承受能力而引起別的故障。在固態(tài)開關(guān)的說明書中一般會標(biāo)明最大的切換電壓和電流的能力，一般都是用微焦耳來表示。這些能量是可以通過公式0.5*L*I*I來計算的。這里的L是電感，I是電流。

　　6. 電弧引起的熱切換故障

　　在使用很大的功率的系統(tǒng)中，在使用機(jī)械開關(guān)進(jìn)行切換的時候，將會產(chǎn)生電弧，時間長的話，這些電弧會引起連接點(diǎn)處出現(xiàn)腐蝕。這個電弧在連接的負(fù)載或者是信號源包含感性信號的時候?qū)鸷艽蟮牟涣加绊?，因為會有多個連接，就會出現(xiàn)多個電弧的出現(xiàn)，這樣傷害就變得更大了。

　　經(jīng)常性的操作一個功率開關(guān)的時候，將會在短時間內(nèi)引起很多由于附加的電弧，并提高了開關(guān)的溫度，而且在一般情況下，都會產(chǎn)生更多的腐蝕作用和產(chǎn)生更多的熱量。所以，很多大功率的機(jī)械開關(guān)會在相對低的周期內(nèi)進(jìn)行壽命測試，特別是它們將要用在最大功率的環(huán)境中的時候，就更加需要注意這些問題。一般來說，電弧的產(chǎn)生會引起溫度的升高，這些將會引起連接點(diǎn)的腐蝕并且會損壞開關(guān)部件，特別是塑料材質(zhì)的部分。一些開關(guān)會配置一個泄壓閥之類的部件，用于釋放多于的等離子體，以便減少電弧的產(chǎn)生的可能性。

　　在直流信號中，電弧的影響往往會變得更大，因為這種情況下，電弧會持續(xù)更長的時間的。

　　下面的這個很急就是在30V的電壓和額外的過載電流引起的額，開關(guān)已經(jīng)被損壞了。其中電弧只持續(xù)了1秒鐘的時間，就引起了這樣的傷害。

　　當(dāng)電弧是在中間電流中發(fā)生的話，那么就意味著開關(guān)的包裝已經(jīng)在電弧發(fā)生的過程中浪費(fèi)了很大的功率。這種情況一般不會發(fā)生在固態(tài)繼電器中的。

　　7. 射頻熱切換模式

　　在進(jìn)行射頻信號熱切換的時候，一般會發(fā)生一個跟切換其他信號的時候不太一樣的情況的發(fā)生。如果源VSWR很高的時候，在開關(guān)從打開狀態(tài)切換到閉合，或者是開關(guān)被打開的時候，就會出現(xiàn)一個很高的電壓。如果信號源的VSWR足夠高，并且還允許反饋信號建立一個很高的電壓，那么插損會通過減弱反饋信號來減少最大電壓。

　　由于操作狀態(tài)對射頻信號的熱切換模式是有很大的影響，所以，除非特別的情況之下，要不這樣的功率會引起源信號的很低的VAWR。如果繼電器是在進(jìn)行低的源信號或者是負(fù)載信號的VSWR的切換的時候，熱切換的性能將會降低，而且有什么樣的變化將取決于開關(guān)信號的狀態(tài)。

　　8. 功率限制

　　開關(guān)的參數(shù)一般都會有一個功率大小的限制。在直流信號的時候，應(yīng)該注意的是這個功率經(jīng)常會表現(xiàn)成了信號電壓或者是電流。當(dāng)電壓上升的時候，開關(guān)可承受的功率將會大大減少。

　　9. 直流和交流信號之間的差距

　　熱切換的功率在直流和交流信號的環(huán)境之下是不一樣的，交流信號擁有更大的功率。在直流信號開關(guān)中的信號幾乎都是一個方向的，所以，腐蝕就會產(chǎn)生的更快。在交流信號應(yīng)用中，腐蝕是雙向的而且在信號變?yōu)?的時候，將會抑制這種腐蝕。

　　當(dāng)承載的交流信號是來源于 AC電源的反饋成分的時候，電容器將會出現(xiàn)問題，并減少了開關(guān)的熱切換能力。在交流電源系統(tǒng)中，它們擁有很多代表性的東西，如濾波器和變壓器，它們比較容易產(chǎn)生問題。線性信號源或者是負(fù)載在阻斷信號的時候會延長電弧持續(xù)的時間，電容性的負(fù)載將會關(guān)閉的路徑中產(chǎn)生很高的浪涌電流。

　　10. 最小電容

　　我們應(yīng)該注意的是在某些電磁繼電器的熱切換模式下，會要求要有很穩(wěn)定的連接電阻，而且這個地方的電容需要保持在某個最小值的范圍之內(nèi)的。這個最小電容是需要小到剩余的電纜和電容可以通過一個浪涌電流來抵消掉的。

　　在進(jìn)行了頻繁的直流信號熱切換之后，開關(guān)也會出現(xiàn)一些問題。因為這些操作可能會使得表面層的金屬掉落，從而降低了射頻信號的切換性能，會增加損耗和頻率相關(guān)性，特別是在一些低頻的應(yīng)用中。所以，我們需要盡可能地防止在射頻應(yīng)用中切換直流信號。

　　11. 固態(tài)繼電器

　　固態(tài)繼電器在正常的使用情況下，它們的壽命是無限長的，不用擔(dān)心類似于電磁繼電器經(jīng)常會出現(xiàn)的電弧的影響和連接器件的問題。經(jīng)常性地切換幾百M(fèi)赫茲的信號的時候，會產(chǎn)生一定的熱量，切換的速度越快的時候，產(chǎn)生的熱量也就越少。所以說，使用固態(tài)繼電器是在需要長壽命的熱切換的應(yīng)用中最好的解決方案。

　　12. 總結(jié)

　　綜上所述，在測試系統(tǒng)中進(jìn)行熱切換的時候，需要注意的是開關(guān)本身的性質(zhì)，畢竟有些開關(guān)在多次熱切換之后，會對信號本身有很大的影響。在選取開關(guān)模塊的時候，更加需要注意這些問題，像選用Pickering的PXI 開關(guān)的時候，產(chǎn)品的種類是很多的，有舌簧繼電器、固態(tài)繼電器、電磁繼電器和微波開關(guān)等類型，只有選擇了最適合實際應(yīng)用的產(chǎn)品，才能用最經(jīng)濟(jì)、高效的方案來解決問題。