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。
圖 1：TPSI2140-Q1 隔離開關可縮小高壓系統中的解決方案尺寸
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。
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電機繼電器 |
光繼電器或光學繼電器 |
TI 固態繼電器 |
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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 |
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介電強度 (1 秒) |
≅1 VRMS/µm ≅20 VRMS/µm |
≅20 VRMS/µm ≅300 VRMS/µm |
≅300 VRMS/µm ≅500 VRMS/µm |
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優點 |
低電阻 |
低電磁干擾 (EMI) 輻射 |
高速 (微秒) 低電量 |
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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 |
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作業環境溫度 |
-40°C 至 85°C |
-40°C 至 85°C |
-40°C 至 125°C |
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成本 |
$$$ |
$ |
$ |
表 1：比較現有的開關解決方案
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。下列的其他資源有助於瞭解我們如何使用我們的隔離開關和驅動器協助您簡化設計。
其他資源
• 觀看我們 TI Precision Labs 訓練系列的隔離訓練簡介。
• 參閱我們的應用附註：
• 高壓系統為什麼需要預充電電路
• 疊接兩個 TPSI3050 隔離開關驅動器提高閘極驅動電壓
• 使用 TPSI3050Q1EVM 和 TPSI2140Q1EVM 評估模組進行產品評估。
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