PhotoMOS繼電器(中)

電子設計應用2003年第5期

PhotoMOS繼電器的輸出采用光電元件和功率MOSFET，最初用于微小模擬量信號的SSR，即：高功能型的HF型，后又相繼推出通用型的GU型、高頻型的RF型等。
本刊上期介紹了PhotoMOS繼電器的概要，本期將介紹有關PhotoMOS繼電器內置式、結構獨特的控制電路的光電元件的特點、結構、典型電路等內容。

FET型半導體繼電器的基本電路
圖1為PhotoMOS 繼電器所代表的FET型半導體繼電器最基本的電路。該電路因輸出元件的功率MOSFET是電壓驅動型元件，因此，由于光電二極管陣列(P.D.A)供給電壓，柵極容量被充電，通過使柵極電壓上升到開啟電壓值(門檻電壓)，就可使繼電器動作。
但是，要想使繼電器復位，就必須使柵極盡快放電。在圖1所示的電路中，恢復時間過長，因此不可能作為繼電器使用。
PhotoMOS繼電器，是通過圖2所示的光電元件中內置的控制電路來解決這些問題點。
該控制電路對于達到動作時間與恢復時間保持良好平衡的開關特性、以及對輸入LED電流的高靈敏度特性，起到至關重要的作用。

光電元件內的控制電路示例
關于光電元件內置式控制電路，如圖3(a)~(c)所示。
控制電路(a)
(a)電路是最基本的，為了加快關斷時間，關斷時要使輸出MOS的柵極電荷放電，在柵極和源極間連接固定電阻。但在導通時，為使輸出MOS的柵極進行充電，來自其光電二極管陣列的光電流通過該電阻而漏泄，因此，導通時間會變長。
另外，如圖4所示，輸出電流對輸入電流平穩地發生變化，因此，存在著切換元件的速動性較差、溫度變化造成的特性變動較大等缺點。
控制電路(b)
(b)電路的速動性比(a)電路稍好一些，但輸出MOS的柵極和源極間插入的晶體管是常開型的，因此，抗外來干擾的能力變弱。
控制電路(c)
(c)電路作為放電電路，使用了常閉型(N.C.)元件，因此，關斷時輸出MOS的電荷可以快速放電。另外，導通時該元件通過第2光電二極管陣列被偏置而處于開放狀態，由于第1光電二極管陣列的光電流高效率地傳送到輸出MOS的柵極上，因此與(a)電路相比，導通時間也會變短。
通過該N.C.元件，速動性也得到極大改善。但是，光電二極管陣列的缺點是需要2列式的。

PhotoMOS繼電器的控制電路
以上所述的電路各有利弊，為了制造出高性能(高靈敏度、快速、抗干擾)且低成本的繼電器，在該PhotoMOS繼電器中配置了圖5所示電路結構的光電元件。
在該電路中，與輸入部分LED進行光耦合的光電二極管陣列，接受對應輸入信號而發光的LED的光，進而產生光電流，通過偏置電阻使N.C.元件處于開放狀態。這樣同時具備(c)電路中第2光電二極管陣列的作用。
另外，與(c)電路相同，通過采用N.C.元件，當無輸入信號時，功率MOS的柵極源極間出現短路，抗外來干擾能力較強，同時如圖4所示，也可進一步達到良好的速動性。
通過旁路元件，使偏置電阻兩端的電位下降到一定值以下，與偏置電阻的大小無關，起到使光電流高效率流入電路的作用。該旁路元件插入電路的情況及相反的情況下的輸入電流-動作時間的特性如圖6所示。
由圖6得知，無旁路元件時，即使增加輸入電流，光電流也受偏置電阻限制，動作時間可處于飽和狀態。對此，當有分路元件時，出現動作時間跟隨輸入電流量的情況，也適應高速動作的需求。

光電元件的結構與模型
PhotoMOS繼電器所用光電元件與通常的光電二極管1單元得到的光電電壓(約0.5V)相比，會產生相當高的電壓(約8V)，因此，使用介質隔離法，在1個內串聯連接十多個單元的光電二極管。其斷面如圖7所示。
由介質隔離法形成的光電二極管周圍用介質體(SiO2)包圍，因此，與通常的單結晶電路板上形成的光電二極管有所不同，其光電流與單結晶島深處緊密地結合。如圖8所示，在一定的深度之內，因有較強的關聯，所以其深度要在考慮到加工時偏差的基礎上決定。
光電二極管陣列是串聯式連接，因此，光電流等于整個單元中最小的電流值。因此，各光電二極管單元的光電流值相等時的電路效率最高。
光電二極管的光電流，若設擴散條件或單元深度為一定，則入射光的亮度和單元面積成比例，因此，為形成效率最高的電路，應該隨著離光源(LED)的距離變遠、亮度下降，加大受光單元面積。
圖9表示從光源正下方開始的水平距離和相對亮度的仿真結果和實測值。圖9(c)中，隨著離開光源，實驗值會變亮，一般認為是受樹脂界面的反射光的影響。

結語
如上所述，PhotoMOS繼電器，具有獨立控制電路和高效率的光電二極管陣列的光電元件，與其他的FET型半導體繼電器相比，該產品具有可直接驅動TTL的高靈敏度、快速切換、抗外來干擾性強、因芯片小型化而實現器件封裝小型化和多極觸點化的特點。■