1、固态继电器的选择和应用 相对于传统的机电式继电器和干簧管继电器，固态继电器具有 功耗低、体积小和可靠性高的特点，因而越来越受到设计师的认可。 本文将着重介绍固态继电器和传统机电式继电器的区别、了解固态 继电器的特性以及选择和使用固态继电器的技巧。 固态继电器的分类 固态继电器有很多种，在光耦的子目录中，根据其输出级可以 分为光电三极管、光电 IC、光电可控硅以及光电 MOSFET。本文 介绍的固态继电器仅仅是指光电 MOSFET，有一些设计师和供应商 将 Photo Triac 即光电可控硅也称为固态继电器。根据固态继电器开 关形式可以划分为：Form A 为单刀单掷常开型继电器；Form B
2、 为 单刀单掷常闭型继电器；Form C 为单刀双掷型继电器，也称为 SPDT 继电器。Photo MOSFET Form A 继电器使用了增强型场效 应管，Form B 固态继电器使用了耗尽型场效应管，Form C 固态继 电器可通过将 Form A 和 Form B 固态继电器串联得到。此外，根据 封装形式分类，大多数固态继电器都是塑料封装，也有密封的陶瓷 封装用作军事或者太空应用。 固态继电器与机电式继电器的比较 首先，由于固态继电器在操作中不会产生电弧，因而具有高稳 定性；而对机电式继电器而言，触点闭合时会产生电弧，一段时间 之后，触点的阻值会逐渐增加直到触点完全被销毁，最终使该继电
3、器失效。这一差异使固态继电器可以进行表贴，而机电式继电器需 要安放于 IC 插座中以便替换。其次，固态继电器只需用电阻将 LED 的驱动电流限制在 10 mA 左右；而机电式继电器则需要几百毫 安的电流驱动感性线圈，由于大多数逻辑门和 CMOS IC 都能够直 接驱动 LED，因而使用固态继电器可以帮助减少方案的成本。再次， 固态继电器的小封装尺寸也可以满足高密度布板的需要。最后，对 机电式操作而言，得到稳定的输出需要把去反跳时间计算进去，这 样 EMR 的有效开关时序被增加到 5 ms 以上，固态继电器则提供快 得多的 1 ms 以下的开关速度，显著提高了数据的吞吐量。固态继 电器也有其自身
4、的限制，从而造成某些应用暂时无法离开机电式继 电器。首先，固态继电器导通电阻范围在 50m?到 100?之间，导致 加载电流时产生显著的热量，然而由于功耗的限制，固态继电器的 电流驱动能力通常被限制在 5 A 以下。其次，高频信号可以在寄生 的关断状态电容中形成通路而通过，关断状态电容低至 0.5 pF 的固 态继电器可以隔离 100 MHz 的信号，但是如果有很多通道存在时， 更低频率的信号需要被考虑是否对设计有影响。最后，需要注意的 是固态继电器的关断状态漏电流。尽管这个漏电流在室温时低至 pA 级，然而随着工作温度的升高，漏电流可以高到 10A，这对设计也 会造成问题。 固态继电器的特性
5、 固态继电器的最基本功能是通过低功率电气隔离输入信号进行 AC/DC 负载电路的开关控制，其基本工作原理如图 1 所示。输入是 一个电流驱动的 LED，由于大多数芯片的输出均为电压，且很容易 通过限流电阻串接到 LED 的阳极或阴极转换成驱动 LED 的电流。 LED 发出的光信号通过透光绝缘层被耦合到光检测器上，透光绝缘 层保证了输入和输出侧的电气隔离。输出级包含有两个 Power MOSFET，固态继电器关断状态的耐压能力取决于这两个崩溃电压， 通过这两个 MOSFET 的串联，可将固态继电器接到 AC/DC 负载中。 固态继电器有两种基本配置，分别为 AC/DC 通用连接以及 DC 专用
6、 连接，如图 2 所示。从图 2 左图可以看到，在 AC/DC 通用连接中 两个 MOSFET 漏极被接入到负载电路，而源极没有外接到电路中。 这种连接方式是双向的，允许 AC/DC 信号通过。在 DC 专用连接中， 连接到 MOSFET 引脚被接入到电路中，两个 MOSFET 是并联的而 非串联，因此可以在不增加功耗的同时将导通电阻减小到原来的四 分之一。在 DC 专用连接方式中，需注意连接的极性，如图 2 中右 图所示，需将两个 MOSFET 漏极短接在一起以作为正极使用。 固态继电器的取舍考量 选择固态继电器一个至关重要的准则是应用中的工作电压，通 常需要给设计保留 20%的余量，另外选
7、择时需要注意 AC 电压。对 于大多数应用，负载电流是第二重要的准则，固态继电器中持续的 负载电流不可以超过其规定的绝对最大值，可以通过负载中串联限 流电阻加以保证。此外，负载电流值在环境温度升高时需要降额使 用，降低的程度依赖于封装的额阻值，而且板子的状况也会影响电 流的降低曲线。 可耐受电压是最关键的选取标准，MOSFET 耐受电压增加时其 导通电阻也会增加，因此 60 V 时很容易找到导通电阻为 0.5?的 SO4 封装继电器，但找到一个导通电阻相同的 400 V DIP 封装的固 态继电器却很难。例如，我们仅能提供导通电阻为 25?的 SO4 400 V 固态继电器。原因是导通电阻增加
8、，负载电流容量就应相应减小， 以维持相同的功耗，防止热损坏。另一个取舍考量是输入驱动电流 和开关速度。高速开关的应用中需要用到很大的输入驱动电流，但 是如果功率或电源有限，选择 1 mA 到 3 mA 的低输入驱动电流可 以帮助节省功率，但同时将导致开关速度降低。因此，在选择固态 继电器时要对二者进行折中，以免造成不必要的浪费。如果设计对 价格较为敏感，则无需选择超出设计范围更高的电流容量或更低的 导通电阻的固态继电器。同样，如果 LED 的亮度越低、尺寸越小， 则固态继电器的开关速度也越慢，如果设计不需要高速性能，那么 就可以使固态继电器的成本大大降低。 实例分析 本例在数字 I/O 卡、可
9、编程逻辑控制器或 PLC 等终端产品的输 出中比较常见。持续工作的负载电流应该根据供应商推荐的全温度 范围负载电流选择，通常需要降额使用。固态继电器的封装和 PCB 层数都会影响电流降额使用的程度。图 3 中包含有很多放置在一起 的固态继电器，这种高密度设计会产生互热现象。在这种应用中选 择低导通电阻特性，有助于减少功耗。供应商提供的全温度范围的 导通电阻特性会有助于设计师检测固态继电器的节温是否超出了供 应商规定的使用范围。如果应用中开关次数很多，则需要考虑动态 开关功率的影响，并考虑开关的频率。我们建议开关速度越快，固 态继电器的负载电流应设计越小，同样，如果固态继电器的负载电 压很高或接
10、近最大工作电压时，需考虑动态功率对设计的影响。另 外一个值得注意的问题是固态继电器的负载类型，感性或者容性负 载的浪涌电流可能会在短时间内超过固态继电器的额定电流。例如， ASSR1510 有 1 A 的额定电流，经过检测，发现器件至少可以承受 1 s 的持续 5 A 的 100 ms 脉冲，可以像给其他功率元器件加保护电 路一样给固态继电器加诸如齐纳二极管等来保护固态继电器。 在这类应用中，最值得注意的是关断状态漏电流。任何大小的漏电 流在进入高阻抗仪器的放大器或者终端电阻后都会造成电压偏移， 通常多数标准固态继电器会把漏电流的最大值标为 1A。但如果系 统需要高精度，一些专用固态继电器可以
11、满足这些应用。Avago 的 低电阻电容系列固态继电器的最大关断状态漏电流仅仅为 1 nA 到 10 nA 之间，为了减小系统中电压偏移误差，固态继电器的导通电 阻也需要很低。为了降低系统中的噪声，关断状态电容应尽可能小。 这里的取舍考量是如果关断状态电容小，则导通电阻相应变大，反 之亦然。因此，设计师需要根据应用的不同需求选择专用的低电容 或低电阻的固态继电器。另外一个取舍考量是，当固态继电器的耐 受电压上升，电容和电阻也会随之上升，因此 400 V 的固态继电器 电阻电容比 60 V 的高。如果检测时间有限，还需要考虑固态继电器 的开关速度，高速开关固态继电器有利于系统有更多时间来正确读 取放大器的数据。
