固态继电器的选择和应用
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10μA，这对设计也会造成问题。
固态继电器的特性
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，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1μA。但如果系统需要高精度，一些专用固态继电器可以满足这些应用。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。