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        如何使用SSR實現更高可靠性的隔離和更小的解決方案尺寸

        2022-05-12 20:30:46 來源:德州儀器

        在發明晶體管之前,繼電器一直被用作開關。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)的能力是開發許多汽車系統所必需的。盡管機電式繼電器和接觸器技術多年來有所改進,但對于設計人員來說,要實現其壽命可靠性和快速開關速度以及低噪聲、沖擊振動和功耗目標,仍然具有挑戰性。

        電容式和電感式隔離固態繼電器 (SSR) 具有性能和成本優勢,并且適合不同級別的隔離(無論是基礎型還是增強型)。與機電繼電器和固態光繼電器等替代技術相比,SSR 也具有優勢。

        傳統繼電器開關解決方案

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

        在開關速度和可靠性方面,EMR確實需要權衡取舍。繼電器內部的活動器件是一個限制因素,開關速度通常在5ms到15ms范圍內。隨著時間的推移和使用,EMR可能會出現諸如拱起、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 EMR 的改進;但是,它們也有設計注意事項,例如對可實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效應晶體管 (FET) 來管理LED的開或關狀態。

        SSR中的電容式和電感式隔離

        TI的隔離式SSR可用作開關(帶有集成FET)或用于控制外部FET的驅動器。無論是利用電容隔離還是磁隔離,TI的隔離式SSR產品系列都可以實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隔離式開關和TPSI3050-Q1隔離式驅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行切換,比EMR快幾個數量級。

        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,從而可以實現減小解決方案尺寸。圖1說明了在高壓系統中使用TPSI2140-Q1隔離開關,消除了偏置電源和外部控制電路等外部元件。

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        圖 1:TPSI2140-Q1 隔離式開關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也具有優勢。TPSI2140-Q1和TPSI3050-Q1等TI器件的可靠性優于光繼電器,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動系統。表1定性地比較了這些隔離開關技術。


        機電繼電器

        光繼電器

        具有電容式和電感式隔離的 TI SSR

        絕緣材料

        空氣或環氧樹脂

        環氧樹脂或聚酰亞胺

        聚酰亞胺或二氧化硅

        介電強度 (1s)

        ?1VRMS/μm

        ?20VRMS/μm

        ?20VRMS/μm

        ?300VRMS/μm

        ?300VRMS/μm

        ?500VRMS/μm

        優勢

        低電阻

        低電磁干擾 (EMI)輻射

        高速 (μs)

        低功耗

        劣勢

        低速 (ms)

        機械磨損、振動/磁抗擾度

        光化降級和局部放電

        必須設計為限制 EMI

        工作環境溫度

        -40°C   至 85°C

        -40°C   至 85°C

        -40°C   至 125°C

        表 1:現有開關解決方案的比較情況

        結語

        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成本提供超高的介電強度,還可以在更小的封裝中實現更可靠的開關。

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