開(kāi)關(guān)切換電流的差異分析

　　1. 概述

　　市面上有很多的開(kāi)關(guān)，用于切換電壓、電流信號，如Pickering生產(chǎn)的1000多種PXI開(kāi)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(kāi)關(guān)模塊來(lái)闡述相關(guān)觀(guān)點(diǎn)的。

　　針對于單個(gè)開(kāi)關(guān)來(lái)說(shuō)，一般都有標稱(chēng)的切換電流，而且這些都有熱切換和冷切換的區分的(熱切換和冷切換的區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(zhù)對功率的限制。

　　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(kāi)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(xiàn)圈驅動(dòng)方面的功率損耗;

　　2) 在閉合的時(shí)候，會(huì )因為有熱量的產(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?chē)娐返脑骷p耗了功率而使得某部分的元件超過(guò)了它本身的熱承受能力;

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

　　PXI標準要求在單個(gè)槽位中，必須要承受25W的功率，但是實(shí)際使用中無(wú)法準確地判斷這個(gè)槽位產(chǎn)生的熱量會(huì )對旁邊的槽位產(chǎn)生多大的影響。機箱底盤(pán)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(huà)，那么機箱可能會(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 )出現什么問(wèn)題。

　　在設計生產(chǎn)大電流的開(kāi)關(guān)的時(shí)候，Pickering一般會(huì )測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)行可靠性測試。因為模塊中的不同部分的溫度上升的趨勢是不一樣的，所以，在檢測的時(shí)候，Pickering都會(huì )進(jìn)行全面的監控和檢測。

　　2. 檢測模塊的方法

　　為了測試模塊，首先需要做的是搭建增強版的樣機，然后進(jìn)行一系列的測試，最重要的部分是采用一系列的溫度傳感器來(lái)監控周?chē)乃胁糠值臏囟取?/p>

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

　　我們也會(huì )測試在路徑中的阻抗，這樣就可以知道用戶(hù)在使用的時(shí)候，哪些阻抗會(huì )變大，這個(gè)是很重要的，因為跟隨著(zhù)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載能力的。我們也需要關(guān)心的另一方面是開(kāi)關(guān)在不同的使用狀況下的壽命的變化是怎么樣的。

　　3. 開(kāi)關(guān)設計方案

　　在設計的過(guò)程中，主要的目的是提高開(kāi)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(kāi)關(guān)組的每個(gè)開(kāi)關(guān)的能力都是要一樣的。但是為了達到這個(gè)目的，通道數就收到了很大的限制，并且，而且可能會(huì )因為這個(gè)而增加了費用--這個(gè)可是用戶(hù)很關(guān)心的問(wèn)題!在很多的測試系統中，電流是通過(guò)同時(shí)進(jìn)行的幾個(gè)通道進(jìn)行驅動(dòng)的，這些路徑可能會(huì )經(jīng)由系統的任何一個(gè)位置，但是每一次的電流一般都會(huì )比最大的電流小。

　　針對于一些小電流系統(很有代表性的是2A電流系統)，一般都不會(huì )有太多的限制，因為想要建立足夠的通道來(lái)應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(mǎn)量程的電流，多路復用器可以在選通的那個(gè)通道中攜帶最大的電流，所以，在多路復用器模塊中，這些多路復用的組數就是可以同時(shí)工作的通道數。

　　所有的上述的限制，我們都會(huì )在說(shuō)明書(shū)中標明的。

　　4. 模塊本身的限制

　　在以前的說(shuō)明書(shū)中，一般都會(huì )標注可以攜帶最大電流的通道數目。但是這樣對于使用者來(lái)說(shuō)還不是很足夠的，特別是在有混合電流負載的系統中更加不全面。在最新的說(shuō)明書(shū)中，我們會(huì )標注所有的電流平方。

　　之所以會(huì )這樣標注，是因為如果開(kāi)關(guān)系統帶有一個(gè)在可用路徑中常規的路徑阻抗，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(kāi)關(guān)系統中擁有每個(gè)通道可以切換16A的電流的16個(gè)單刀單擲開(kāi)關(guān)(內部結構如圖，型號為：40-161-001)，額定是1536A電流平方，現在通過(guò)下面的例子來(lái)說(shuō)明：

　　例子一：可以只使用6個(gè)通道，其他的通道沒(méi)有電流(因為每個(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(因為9.792=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，因為144*10=1440<1536A;

　　在規格書(shū)中會(huì )有一定的界限的標注的，因為開(kāi)關(guān)本身有一定的使用壽命，并且阻抗會(huì )跟隨著(zhù)使用而增大。但是，如果開(kāi)關(guān)的阻抗上升了很多的話(huà)，這個(gè)時(shí)候就需要更換。比如像一個(gè)16A電流的開(kāi)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 )出現這樣的狀況，因為在通道之間的阻抗很小的時(shí)候，它也是正常的工作的。當傳輸的路徑之間的阻力越大，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(lái)減少使用的誤差。

　　5. 短時(shí)間過(guò)載和熱量時(shí)間參數

　　在開(kāi)關(guān)系統中的熱量慣性就意味著(zhù)他可以在短時(shí)間中的有很高的負載的能力，一般是在一定的時(shí)間段內，用負載的平均量來(lái)衡量。這個(gè)時(shí)間參數一般會(huì )在說(shuō)明書(shū)說(shuō)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(cháng)達30秒，之后又有90秒是沒(méi)有任何的電流，那么在這120秒內的平均電流的平方是1024A。如果熱參數是300秒，那么一般在使用的過(guò)程中不會(huì )出現負載過(guò)大的問(wèn)題了。上圖中的說(shuō)明是可以持續4分鐘的。下圖是最大電流的承載能力。

　　針對于這個(gè)熱量時(shí)間參數的表述，Pickering一般會(huì )增加一些額外的說(shuō)明的。這個(gè)在詳細的使用中會(huì )得到相應的幫助的。

　　6. 總結

　　根據上述的描述，我們可以看到，在使用開(kāi)關(guān)系統的時(shí)候，需要清楚開(kāi)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)間內可以承載的大電流的能力等，這些都是可以在說(shuō)明書(shū)中看到的。只有熟悉了這些參數之后，在搭建開(kāi)關(guān)系統的時(shí)候才會(huì )考慮到各種可能出現的問(wèn)題，從而確保系統能夠正常的使用，提高測試系統的效率。