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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

从低压信号安全地控制高压系统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。

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。


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。

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。

THE END
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