如何使用固態繼電器達成更高可靠性隔離和更小解決...

SophieWeng@G

自從電晶體發明問世之前，繼電器就做為開關之用。許多汽車系統的開發必須能夠從低壓訊號安全控制高壓系統，例如隔離電阻監測。雖然電機繼電器和接觸器的技術多年來持續改進，但對於設計人員來說，達成使用壽命可靠性和快速開關速度，以及低噪聲、衝擊振動和功耗的目標仍然相當有挑戰性。
固態繼電器 (SSR) 展現性能和低成本優點，而且無論是對於基本隔離還是加強隔離等不同等級的隔離，都能夠進行額定設定。相較於電機繼電器和固態光繼電器等替代技術，SSR 也展現更大的優點。

傳統繼電器開關解決方案
電機繼電器 (EMR) 在高壓開關應用中相當常用。EMR 使用電磁力以機械方式開啟和關閉觸點。有鑑於機械特性，EMR 展現極低的導通電阻。這些的觸點基本上是金屬對金屬的連接。

EMR 必需要在開關速度和可靠性間權衡取捨。繼電器內部的活動零件是限制因素，開關速度通常在 5 至 15 毫秒時間內。隨著時間推移以及根據使用情況，EMR 可能會出現拱起、顫動和焊接閉合之類的故障。

不同於 EMR，光繼電器沒有活動零件並提供高隔離電壓。光繼電器比傳統 EMR 更加精進，但光繼電器也有設計考量，如：可達成的功率傳輸受到限制以及內部 LED 劣化。此外，光繼電器需要外部限流電阻，而且通常使用另外的場效應電晶體 (FET) 管理 LED 的開關狀態。

使用 SSR 進行更高可靠性的隔離
TI 的固態繼電器可做為開關 (藉由整合式 FET) 或用於控制外部 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 產品組合都適用於基本或加強隔離等級的設計。相較於 EMR，TI 的 TPSI2140-Q1 隔離式開關和 TPSI3050-Q1 隔離式驅動器可達到更高的可靠性和更長的使用壽命，因為這些產品不會隨著時間推移而出現機械劣化。因此，SSR 的使用壽命可靠性是傳統 EMR 的 10 倍。TI 的 SSR 也可以在數微秒時間內切換，比 EMR 快數倍。

由於 TPSI3050-Q1 和 TPSI2140-Q1 跨單個隔離層整合電源和訊號傳輸，因此不需要二次偏置電源，即可達到小型解決方案尺寸。圖 1 說明在高壓系統中使用 TPSI2140-Q1 隔離開關，完全不需要偏置電源和外部控制電路等外部元件。

TPSI2140-Q1 和 TPSI3050-Q1 等固態繼電器也具有優於傳統光繼電器和光耦合器的優點。TPSI2140-Q1 和 TPSI3050-Q1 等 TI 裝置的可靠性優於光繼電器，因為沒有 LED 降解的問題。不需要外部控制電路，因為邏輯電平輸入可以直接驅動系統。表 1 以定性的方式比較這些隔離開關技術。

	電機繼電器	光繼電器或光學繼電器	TI固態繼電器
絕緣材料	空氣或環氧樹脂	環氧樹脂或聚酰亞胺	聚酰亞胺或二氧化矽
介電強度(1秒)	≅1 VRMS/µm ≅20 VRMS/µm	≅20 VRMS/µm ≅300 VRMS/µm	≅300 VRMS/µm ≅500 VRMS/µm
優點	低電阻	低電磁干擾(EMI)輻射	高速(微秒) 低電量
缺點	慢速(毫秒) 機械磨損、振動/磁抗擾度	光降解和局部放電	必須設計才能限制EMI
作業環境溫度	-40°C 至 85°C	-40°C 至 85°C	-40°C 至 125°C
成本	$$$	$	$

結論
TI 的固態繼電器以最快的速度、最高的作業溫度和最低的系統成本提供最高的介電強度。即使在較小的封裝中也可達成更可靠的開關。


資料來源：德州儀器