如何使用SSR实现更高可靠性的隔离和更小的解决方案尺寸

2022-05-12 20:30:46 来源:德州仪器

在发明晶体管之前,继电器一直被用作开关。从低压信号安全地控制高压系统(如隔离电阻监测中的情况)的能力是开发许多汽车系统所必需的。尽管机电式继电器和接触器技术多年来有所改进,但对于设计人员来说,要实现其寿命可靠性和快速开关速度以及低噪声、冲击振动和功耗目标,仍然具有挑战性。

电容式和电感式隔离固态继电器 (SSR) 具有性能和成本优势,并且适合不同级别的隔离(无论是基础型还是增强型)。与机电继电器和固态光继电器等替代技术相比,SSR 也具有优势。

传统继电器开关解决方案

机电继电器 (EMR) 在高压开关应用中很常见。EMR使用电磁力来机械地打开和关闭触点。鉴于其机械特性,EMR具有极低的导通电阻。它们的触点本质上是金属对金属的连接。

在开关速度和可靠性方面,EMR确实需要权衡取舍。继电器内部的活动器件是一个限制因素,开关速度通常在5ms到15ms范围内。随着时间的推移和使用,EMR可能会出现诸如拱起、颤动和焊接闭合等故障。

与EMR不同,光继电器没有活动器件,并可提供高隔离电压。光继电器是对传统 EMR 的改进;但是,它们也有设计注意事项,例如对可实现的功率传输的限制以及内部LED的老化。此外,光继电器需要外部限流电阻器,并且通常使用额外的场效应晶体管 (FET) 来管理LED的开或关状态。

SSR中的电容式和电感式隔离

TI的隔离式SSR可用作开关(带有集成FET)或用于控制外部FET的驱动器。无论是利用电容隔离还是磁隔离,TI的隔离式SSR产品系列都可以实现具有基础型或增强型隔离级别的设计。与EMR相比,TI的TPSI2140-Q1隔离式开关和TPSI3050-Q1隔离式驱动器具有更高的可靠性和更长的使用寿命,因为它们不会随着时间的推移而出现机械性能变差的情况。因此,SSR的寿命可靠性是传统EMR的10倍。TI的SSR还可以在几微秒内进行切换,比EMR快几个数量级。

由于TPSI3050-Q1和TPSI2140-Q1通过单个隔离栅集成了电源和信号传输,因此无需二次偏置电源,从而可以实现减小解决方案尺寸。图1说明了在高压系统中使用TPSI2140-Q1隔离开关,消除了偏置电源和外部控制电路等外部元件。

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图 1:TPSI2140-Q1 隔离式开关减小了高压系统中的解决方案尺寸

与传统光继电器和光耦合器相比,TPSI2140-Q1和TPSI3050-Q1等SSR也具有优势。TPSI2140-Q1和TPSI3050-Q1等TI器件的可靠性优于光继电器,因为不存在LED老化情况。无需外部控制电路,因为逻辑电平输入可以直接驱动系统。表1定性地比较了这些隔离开关技术。


机电继电器

光继电器

具有电容式和电感式隔离的 TI SSR

绝缘材料

空气或环氧树脂

环氧树脂或聚酰亚胺

聚酰亚胺或二氧化硅

介电强度 (1s)

1VRMS/µm

20VRMS/µm

20VRMS/µm

300VRMS/µm

300VRMS/µm

500VRMS/µm

优势

低电阻

低电磁干扰 (EMI)辐射

高速 (µs)

低功耗

劣势

低速 (ms)

机械磨损、振动/磁抗扰度

光化降级和局部放电

必须设计为限制 EMI

工作环境温度

-40°C   至 85°C

-40°C   至 85°C

-40°C   至 125°C

表 1:现有开关解决方案的比较情况

结语

TI的隔离式SSR以超快的速度、超高的工作温度和超低的系统成本提供超高的介电强度,还可以在更小的封装中实现更可靠的开关。

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