如何使用SSR實(shí)現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(kāi)關(guān)。從低壓信號安全地控制高壓系統（如隔離電阻監測中的情況）的能力是開(kāi)發(fā)許多汽車(chē)系統所必需的。盡管機電式繼電器和接觸器技術(shù)多年來(lái)有所改進(jìn)，但對于設計人員來(lái)說(shuō)，要實(shí)現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，仍然具有挑戰性。

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(wú)論是基礎型還是增強型）。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。

傳統繼電器開(kāi)關(guān)解決方案

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

在開(kāi)關(guān)速度和可靠性方面，EMR確實(shí)需要權衡取舍。繼電器內部的活動(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。隨著(zhù)時(shí)間的推移和使用，EMR可能會(huì )出現諸如拱起、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。光繼電器是對傳統 EMR 的改進(jìn)；但是，它們也有設計注意事項，例如對可實(shí)現的功率傳輸的限制以及內部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)現具有基礎型或增強型隔離級別的設計。與EMR相比，TI的TPSI2140-Q1隔離式開(kāi)關(guān)和TPSI3050-Q1隔離式驅動(dòng)器具有更高的可靠性和更長(cháng)的使用壽命，因為它們不會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移而出現機械性能變差的情況。因此，SSR的壽命可靠性是傳統EMR的10倍。TI的SSR還可以在幾微秒內進(jìn)行切換，比EMR快幾個(gè)數量級。

由于TPSI3050-Q1和TPSI2140-Q1通過(guò)單個(gè)隔離柵集成了電源和信號傳輸，因此無(wú)需二次偏置電源，從而可以實(shí)現減小解決方案尺寸。圖1說(shuō)明了在高壓系統中使用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)減小了高壓系統中的解決方案尺寸

與傳統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?xún)?yōu)于光繼電器，因為不存在LED老化情況。無(wú)需外部控制電路，因為邏輯電平輸入可以直接驅動(dòng)系統。表1定性地比較了這些隔離開(kāi)關(guān)技術(shù)。

表1 現有開(kāi)關(guān)解決方案的比較情況

結語(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成本提供超高的介電強度，還可以在更小的封裝中實(shí)現更可靠的開(kāi)關(guān)。