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替代机械式继电器,低成本固态继电器实现方法

作者:angelazhang时间:2015-11-07

众所周知,现在固态继电器在很多领域已经逐步取代了,比起传统的机械式继电器,固态继电器更具有高可靠性,更快的开关时间,更小体积且不受开关抖动噪声影响。但是,很多研发工程师却并不是非常乐意进行固态继电器与机械继电器的替换,主要是因为一些固态继电器的导通阻抗很大,并且成本会更高。能同时兼顾到以上情况的一种选择,就是使用光电驱动器和分立的MOSFET来形成固态继电器。


在使用光电驱动器时,设计者们可以从很多的汽车级的MOSFET进行选择搭配,来实现所需要的电流和电压等级。如今MOSFET的价格也非常具有竞争力,因此使用光电驱动器和两个MOSFET组合成固态继电器的形式是比较好的替换掉机械式继电器的方案。


和两个背靠背MOSFET组合起来,形成了一个双向的开关形式。图1所示,一种配置就是用两个增强型N沟道MOSFET组合成一个1-form A(单刀单掷常闭)的继电器。图2所示,这种配置是由两个耗尽型N沟道MOSFET组合成的1-Form B(单刀单掷常开)的继电器。



光驱动器的基本结构

这种产品的输入侧由LED组成,可以被TTL电平或是缓冲的CMOS逻辑电平驱动。电路中是需要加入限流电阻的,以限制流过LED的电流。一般推荐输入电流为10mA至20mA。

检测器一侧则是由光电驱动器组成,而光电驱动器则包括了一串光电二极管。

当电流通过输入侧被驱入LED后,LED产生的光会产生光电流并激发光电二极管串列,进而会驱动MOSFET的门极。图3则表示Avago的ACPL-K30T光电驱动器产品的基本结构。



  另外一个导致继电器意外开通的情况是当漏电流通过输入的LED导致低的Isc情形。这最终会导致输出MOSFET开通。

为了防止以上情况发生,可以在电路中和ACPL-K30T的LED并联一个分流电阻。这会改变输入阈值电流,能够提供更高的阻值以减小Isc的影响。


开关特性

开通时间是由短路电流和MOSFET的门极电荷决定的。通过增加LED驱动电流电流可以产生更大的Isc,能够加快开通时间。更大的MOSFET(更高的击穿电压,更低的导通阻抗或是两者兼有)会相应的具有更高的门极电荷。最差的Ton拐点会出现在低LED驱动电流和高温下。(如图7)





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