固態(tài)繼電器的動(dòng)態(tài)功耗和設計考量

固態(tài)繼電器的動(dòng)態(tài)功耗和設計考量

1.0 介紹

　　對于低電壓信號或低功率切換應用，具備MOSFET輸出的光學(xué)隔離固態(tài)繼電器(SSR, Solid State Relay)可以比傳統機電式繼電器(EMR, Electro-Mechanical Relay)帶來(lái)幾個(gè)重要優(yōu)勢，工程師在使用這類(lèi)繼電器時(shí)面臨的一個(gè)主要挑戰是如何決定并找出繼電器封裝內可以承受的最大動(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用取得優(yōu)勢的應用范例。

　　2.0 固態(tài)繼電器的動(dòng)態(tài)功耗計算

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

　　切換周期內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(xiàn)性趨近，由上圖可以看出，v(t)和i(t)可以假設為時(shí)間的線(xiàn)性函數，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(cháng)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)

　　就可以計算出切換時(shí)間周期Tsw內的平均功耗：

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???

　　對以上的積分進(jìn)行求解可以得到切換周期Tsw內的平均功耗：

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

　　現在我們可以計算出時(shí)間周期Tp內的整體平均功耗，請注意，Tsw(1)為固態(tài)繼電器輸出電壓的下降轉換時(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)繼電器輸出下降轉換時(shí)間t(f)取代，而Tsw(2)則以固態(tài)繼電器輸出上升轉換時(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)

　　請注意，以上方程式(6)顯示，如果Tsw相對于時(shí)間周期Tp較小時(shí)，切換時(shí)間內的功耗相對也較小，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(zhù)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負載的切換，開(kāi)關(guān)頻率為100Hz，占空比為50%，SSR的輸入驅動(dòng)電流為5mA。

　　(a) 計算輸出功耗、輸入功耗和整體封裝功耗。

　　由ASSR-1510產(chǎn)品數據表中我們可以得到：

• 　　Vf (最大) = 1.7V
• 　　頻率 (f ) = 100 Hz,?
• 　　導通電阻R(ON) = 0.5 ?
• 　　t(f) = 輸出電壓下降轉換時(shí)間 = 200 usec (估計值，非數據表標明參數)
• 　　t(r) = 輸出電壓上升轉換時(shí)間 = 2 usec (估計值，非數據表標明參數)
• 　　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A(yíng)SSR-1510允許的絕對最大值540mW，因此在這個(gè)工作條件下并不需要降低功率。

　　4.0 FET驅動(dòng)電路和固態(tài)繼電器功能方塊圖

　　SSR中的FET驅動(dòng)電路通過(guò)光伏電源供電，由FET驅動(dòng)電路所接收的LED光流是提供FET驅動(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驅動(dòng)電流為10mA時(shí)大約在20uA的范圍。

　　在FET驅動(dòng)電路設計中采用了快速關(guān)斷電路(Fast Turn-Off Circuit)，這個(gè)電路的目的是當LED電流下降到零關(guān)斷SSR時(shí)可以立即對柵極電容進(jìn)行放電，這個(gè)電路只有在光伏電壓下滑時(shí)短暫導通，接著(zhù)快速關(guān)斷電路可以確保SSR的關(guān)斷時(shí)間要比SSR的導通時(shí)間短上許多。，FET驅動(dòng)電路的功耗可以被忽略，因為所產(chǎn)生的光電流在驅動(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驅動(dòng)電路設計同時(shí)也加入了輸出瞬變抑制電路(Transient Reject Circuit)，可以確保數據表中的超高dVo/dt參數和處理能力，這個(gè)電路的工作原理是，當SSR處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，SSR接點(diǎn)上出現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)導通。

　5.0 固態(tài)繼電器應用范例

　　(a) 固態(tài)繼電器的典型應用范圍

• 　　火災警報系統
• 　　照明控制
• 　　儀器系統
• 　　分裝機
• 　　自動(dòng)販賣(mài)機
• 　　測試和測量
• 　　交通控制
• 　　溫度控制
• 　　安全系統
• 　　醫療設備
• 　　電梯控制
• 　　生產(chǎn)設備
• 　　商用洗衣機
• 　　辦公室和業(yè)務(wù)機器設備
• 　　導航系統
• 　　國防和軍事硬件

　　(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(huà)撥號

　　(d) 繼電器線(xiàn)圈驅動(dòng)

　　(e) 溫度控制器

　　(f) 多通道交流負載控制模塊