固態(tài)繼電器的動(dòng)態(tài)功耗和設(shè)計(jì)考量

1.0 介紹

對(duì)于低電壓信號(hào)或低功率切換應(yīng)用，具備MOSFET輸出的光學(xué)隔離固態(tài)繼電器(SSR, Solid State Relay)可以比傳統(tǒng)機(jī)電式繼電器(EMR, Electro-Mechanical Relay)帶來(lái)幾個(gè)重要優(yōu)勢(shì)，工程師在使用這類(lèi)繼電器時(shí)面臨的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是如何決定并找出繼電器封裝內(nèi)可以承受的最大動(dòng)態(tài)和靜態(tài)功率，工作頻率基本上會(huì)對(duì)整體功耗帶來(lái)最高限制，因此非常重要的一點(diǎn)是，必須精確計(jì)算動(dòng)態(tài)和靜態(tài)功耗以保證不會(huì)超出固態(tài)繼電器規(guī)格所允許的最大功率，最后我們也會(huì)提供固態(tài)繼電器可以在終端應(yīng)用取得優(yōu)勢(shì)的應(yīng)用范例。

2.0 固態(tài)繼電器的動(dòng)態(tài)功耗計(jì)算

在切換周期時(shí)間Tsw內(nèi)，即使假設(shè)某一瞬間漏極到源極電壓v(t)和漏極電流i(t)為線性，這個(gè)線性轉(zhuǎn)換變化依舊為趨近值，不過(guò)已經(jīng)可以滿(mǎn)足實(shí)際的應(yīng)用。


切換周期內(nèi)某一瞬間的功耗可以由下列方程式表示：

p(t)sw = v(t) ● i(t) -------------------- 方程式 (1)

如果采用線性趨近，由上圖可以看出，v(t)和i(t)可以假設(shè)為時(shí)間的線性函數(shù)，因此：

p(t)sw = [ Vd (Tsw – t) / Tsw ] ● [ (Id ) (t) / Tsw ] ------------- 方程式 (2)

在以上方程式中，我們假設(shè)切換周期開(kāi)始時(shí)t=0，以上的圖形顯示，在頻率f處的切換時(shí)間長(zhǎng)度為T(mén)p。

簡(jiǎn)化方程式(2)，我們可以得到：

p(t)sw = [{ (Vd) (Id) (Tsw-t) (t) }/ Tsw2 ] --------------------- 方程式 (3)

就可以計(jì)算出切換時(shí)間周期Tsw內(nèi)的平均功耗：

t=Tsw

P(Tsw) = (1/ Tsw ) t="0" ∫ v(t) ● i(t) dt --------- 方程式 (4)

整合方程式(3)和方程式(4)：

t = Tsw

P(Tsw) = (Vd) (Id) / Tsw3 ● t="0" ∫ ( Tsw-t) t dt

對(duì)以上的積分進(jìn)行求解可以得到切換周期Tsw內(nèi)的平均功耗：

P(Tsw) = [ (Vd ) (Id) / 6 ] ------------------------ 方程式 (5)

現(xiàn)在我們可以計(jì)算出時(shí)間周期Tp內(nèi)的整體平均功耗，請(qǐng)注意，Tsw(1)為固態(tài)繼電器輸出電壓的下降轉(zhuǎn)換時(shí)間t(f)，而Tsw(2)則是固態(tài)繼電器輸出電壓的上升轉(zhuǎn)換時(shí)間t(r)：

P (Total Average over Tp) = [ (Vd) (Id) / 6] Tsw(1) / Tp + [ (Vd) (Id) /6 ] Tsw(2) / Tp + [ (Ron) (Id) 2] t(On-state)] / Tp + [ (Vd) (Ioff) t(off-state) ] / Tp --------- 方程式 (6)

由于f=1/Tp，因此以上方程式可以由頻率表示，并將Tsw(1)以固態(tài)繼電器輸出下降轉(zhuǎn)換時(shí)間t(f)取代，而Tsw(2)則以固態(tài)繼電器輸出上升轉(zhuǎn)換時(shí)間t(r)取代：

P(Total Average over Tp) = [ (Vd) (Id) / 6] t(f) (f) + [ (Vd) (Id) /6] t(r) (f) + [(Ron) (Id) 2 t(on-state) (f) + [ (Vd) (Ioff) t(off-state) (f) -------- 方程式 (7)

請(qǐng)注意，以上方程式(6)顯示，如果Tsw相對(duì)于時(shí)間周期Tp較小時(shí)，切換時(shí)間內(nèi)的功耗相對(duì)也較小，我們會(huì)在以下的例子中進(jìn)行討論，以上的方程式(7)也顯示出隨著頻率的增加，切換周期時(shí)間Tsw中的功耗部分也會(huì)增加，并帶來(lái)工作頻率的限制。


輸入功耗：

時(shí)間周期TP內(nèi)的平均功耗為：

P(input) = [(Vf ● If ) t(on state)] / Tp -------- 方程式 (8)

或以頻率表示：

P(input) = [(Vf ● If ) t(on state] ( f ) -------- 方程式 (9)

3.0 計(jì)算功耗的實(shí)際示例

ASSR-1510固態(tài)繼電器被用來(lái)控制Vd為60V時(shí)1A負(fù)載的切換，開(kāi)關(guān)頻率為100Hz，占空比為50%，SSR的輸入驅(qū)動(dòng)電流為5mA。

(a) 計(jì)算輸出功耗、輸入功耗和整體封裝功耗。

由ASSR-1510產(chǎn)品數(shù)據(jù)表中我們可以得到：

Vf (最大) = 1.7V
頻率 (f ) = 100 Hz,
導(dǎo)通電阻R(ON) = 0.5 ?
t(f) = 輸出電壓下降轉(zhuǎn)換時(shí)間 = 200 usec (估計(jì)值，非數(shù)據(jù)表標(biāo)明參數(shù))
t(r) = 輸出電壓上升轉(zhuǎn)換時(shí)間 = 2 usec (估計(jì)值，非數(shù)據(jù)表標(biāo)明參數(shù))
時(shí)間周期 Tp = 1/f = 10 msec
50%占空比代表 t(On state) = 5 msec
t(off state) = 5 msec
由方程式(7)：

P(Total Average over Tp) = [ (Vd) (Id) / 6] t(f) (f) + [ (Vd) (Id) /6] t(r) (f) + [(Ron) (Id)2 t(on-state) (f) + [ (Vd) (Ioff) t(off-state) (f)-------- 方程式 (7)

分別計(jì)算以上各部分功耗：

(a) [(Vd) (Id) /6] t(f) (f) = [60V x 1A]/6 x 200 usec x 100 Hz = 200 mW

(b) [(Vd)(Id) / 6] t (r) (f) = [60 V x 1A]/6 x 2 usec x 100 Hz = 2 mW

(c) [R(ON) (Id) 2] t(on-state) (f) = 0.5? x (1A)2 x 5 msec x 100 Hz = 250 mW

(d) [(Vd) (Ioff) ] t(off-state) (f) = 60V x 1 uA x 5 msec x 100 Hz = 30 µW

加總以上數(shù)字，可以得到整體輸出功耗為452mW。

輸入功耗可以由方程式(9)計(jì)算得出：

P(input) = [(Vf ● If ) t(on state] ( f ) = 1.7 x 5 mA x 5 msec x 100 Hz = 4.25 mW

因此，切換周期中整體平均封裝功耗為：

4.25 mW + 452 mW = 456.25 mW

這個(gè)功耗大小低于ASSR-1510允許的絕對(duì)最大值540mW，因此在這個(gè)工作條件下并不需要降低功率。

4.0 FET驅(qū)動(dòng)電路和固態(tài)繼電器功能方塊圖


SSR中的FET驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)光伏電源供電，由FET驅(qū)動(dòng)電路所接收的LED光流是提供FET驅(qū)動(dòng)電路推動(dòng)輸出MOSFET的唯一能量來(lái)源，光伏電壓由12個(gè)上下堆棧的光二極管產(chǎn)生，每個(gè)光二極管大約可以產(chǎn)生0.5V的電壓，因此產(chǎn)生的總電壓大小為0.5x12=6V(典型值)。

產(chǎn)生光電流的大小為用來(lái)對(duì)輸出MOSFET整體柵極電容充電的最大電流值，這個(gè)光電流越大，柵極電壓充到光二極管堆棧光伏電壓的速度就越快，通常由堆棧電壓所產(chǎn)生的光電流在LED驅(qū)動(dòng)電流為10mA時(shí)大約在20uA的范圍。

在FET驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中采用了快速關(guān)斷電路(Fast Turn-Off Circuit)，這個(gè)電路的目的是當(dāng)LED電流下降到零關(guān)斷SSR時(shí)可以立即對(duì)柵極電容進(jìn)行放電，這個(gè)電路只有在光伏電壓下滑時(shí)短暫導(dǎo)通，接著快速關(guān)斷電路可以確保SSR的關(guān)斷時(shí)間要比SSR的導(dǎo)通時(shí)間短上許多。，F(xiàn)ET驅(qū)動(dòng)電路的功耗可以被忽略，因?yàn)樗a(chǎn)生的光電流在驅(qū)動(dòng)電流為10mA時(shí)大約只有20uA，產(chǎn)生的堆棧電壓大約為6V。

安華高科技(Avago Technologies)公司的FET驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)同時(shí)也加入了輸出瞬變抑制電路(Transient Reject Circuit)，可以確保數(shù)據(jù)表中的超高dVo/dt參數(shù)和處理能力，這個(gè)電路的工作原理是，當(dāng)SSR處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，SSR接點(diǎn)上出現(xiàn)的任何瞬間高電壓變化會(huì)通過(guò)電容耦合到瞬變抑制晶體管的基極并暫時(shí)導(dǎo)通，造成柵極放電以確保輸出MOSFET不會(huì)在SSR輸出接點(diǎn)收到這個(gè)瞬變高電壓脈沖時(shí)導(dǎo)通。

5.0 固態(tài)繼電器應(yīng)用范例

(a) 固態(tài)繼電器的典型應(yīng)用范圍

火災(zāi)警報(bào)系統(tǒng)
照明控制
儀器系統(tǒng)
分裝機(jī)
自動(dòng)販賣(mài)機(jī)
測(cè)試和測(cè)量
交通控制
溫度控制
安全系統(tǒng)
醫(yī)療設(shè)備
電梯控制
生產(chǎn)設(shè)備
商用洗衣機(jī)
辦公室和業(yè)務(wù)機(jī)器設(shè)備
導(dǎo)航系統(tǒng)
國(guó)防和軍事硬件

(b)太陽(yáng)能陣列電池充電


* 隔離二極管可以避免SSR關(guān)斷時(shí)電池因寄生電阻或漏電流放電到太陽(yáng)能陣列中。

(c)脈沖電話撥號(hào)
(d) 繼電器線圈驅(qū)動(dòng)
(e) 溫度控制器
(f) 多通道交流負(fù)載控制模塊