如何使用SSR實現更高可靠性的隔離和更小的解決方案尺寸

在發明晶體管之前，繼電器一直被用作開關。從低壓信號安全地控制高壓系統（如隔離電阻監測中的情況）的能力是開發許多汽車系統所必需的。盡管機電式繼電器和接觸器技術多年來有所改進，但對于設計人員來說，要實現其壽命可靠性和快速開關速度以及低噪聲、沖擊振動和功耗目標，仍然具有挑戰性。

電容式和電感式隔離固態繼電器 (SSR) 具有性能和成本優勢，并且適合不同級別的隔離（無論是基礎型還是增強型）。與機電繼電器和固態光繼電器等替代技術相比，SSR 也具有優勢。

傳統繼電器開關解決方案

機電繼電器 (EMR) 在高壓開關應用中很常見。EMR使用電磁力來機械地打開和關閉觸點。鑒于其機械特性，EMR具有極低的導通電阻。它們的觸點本質上是金屬對金屬的連接。

在開關速度和可靠性方面，EMR確實需要權衡取舍。繼電器內部的活動器件是一個限制因素，開關速度通常在5ms到15ms范圍內。隨著時間的推移和使用，EMR可能會出現諸如拱起、顫動和焊接閉合等故障。

與EMR不同，光繼電器沒有活動器件，并可提供高隔離電壓。光繼電器是對傳統 EMR 的改進；但是，它們也有設計注意事項，例如對可實現的功率傳輸的限制以及內部LED的老化。此外，光繼電器需要外部限流電阻器，并且通常使用額外的場效應晶體管 (FET) 來管理LED的開或關狀態。

SSR中的電容式和電感式隔離

TI的隔離式SSR可用作開關（帶有集成FET）或用于控制外部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產品系列都可以實現具有基礎型或增強型隔離級別的設計。與EMR相比，TI的TPSI2140-Q1隔離式開關和TPSI3050-Q1隔離式驅動器具有更高的可靠性和更長的使用壽命，因為它們不會隨著時間的推移而出現機械性能變差的情況。因此，SSR的壽命可靠性是傳統EMR的10倍。TI的SSR還可以在幾微秒內進行切換，比EMR快幾個數量級。

由于TPSI3050-Q1和TPSI2140-Q1通過單個隔離柵集成了電源和信號傳輸，因此無需二次偏置電源，從而可以實現減小解決方案尺寸。圖1說明了在高壓系統中使用TPSI2140-Q1隔離開關，消除了偏置電源和外部控制電路等外部元件。

圖1 TPSI2140-Q1 隔離式開關減小了高壓系統中的解決方案尺寸

與傳統光繼電器和光耦合器相比，TPSI2140-Q1和TPSI3050-Q1等SSR也具有優勢。TPSI2140-Q1和TPSI3050-Q1等TI器件的可靠性優于光繼電器，因為不存在LED老化情況。無需外部控制電路，因為邏輯電平輸入可以直接驅動系統。表1定性地比較了這些隔離開關技術。

表1 現有開關解決方案的比較情況

結語

TI的隔離式SSR以超快的速度、超高的工作溫度和超低的系統成本提供超高的介電強度，還可以在更小的封裝中實現更可靠的開關。