固態(tài)繼電器的動態(tài)功耗和設(shè)計考量

1.0 介紹

　　對于低電壓信號或低功率切換應(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)機電式繼電器（EMR, Electro-Mechanical Relay）帶來幾個重要優(yōu)勢，工程師在使用這類繼電器時面臨的一個主要挑戰(zhàn)是如何決定并找出繼電器封裝內(nèi)可以承受的zui大動態(tài)和靜態(tài)功率，工作頻率基本上會對整體功耗帶來zui高限制，因此非常重要的一點是，必須計算動態(tài)和靜態(tài)功耗以保證不會超出固態(tài)繼電器規(guī)格所允許的zui大功率，zui后我們也會提供固態(tài)繼電器可以在終端應(yīng)用取得優(yōu)勢的應(yīng)用范例。

　　2.0 固態(tài)繼電器的動態(tài)功耗計算

　　在切換周期時間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，這個線性轉(zhuǎn)換變化依舊為趨近值，不過已經(jīng)可以滿足實際的應(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)切換周期開始時t=0，以上的圖形顯示，在頻率f處的切換時間長度為Tp。

　　簡化方程式（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   

　　對以上的積分進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)在我們可以計算出時間周期Tp內(nèi)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(zhuǎn)換時間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)換時間t（f）取代，而Tsw（2）則以固態(tài)繼電器輸出上升轉(zhuǎn)換時間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相對于時間周期Tp較小時，切換時間內(nèi)的功耗相對也較小，我們會在以下的例子中進行討論，以上的方程式（7）也顯示出隨著頻率的增加，切換周期時間Tsw中的功耗部分也會增加，并帶來工作頻率的限制。

　　輸入功耗：

　　時間周期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 計算功耗的實際示例

　　ASSR-1510固態(tài)繼電器被用來控制Vd為60V時1A負(fù)載的切換，開關(guān)頻率為100Hz，占空比為50%，SSR的輸入驅(qū)動電流為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(shù)據(jù)表中我們可以得到：

• 　　Vf （zui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)換時間 = 200 usec （估計值，非數(shù)據(jù)表標(biāo)明參數(shù)）
• 　　t（r） = 輸出電壓上升轉(zhuǎn)換時間 = 2 usec （估計值，非數(shù)據(jù)表標(biāo)明參數(shù)）
• 　　時間周期 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(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   

　　這個功耗大小低于ASSR-1510允許的zui大值540mW，因此在這個工作條件下并不需要降低功率。

　　4.0 FET驅(qū)動電路和固態(tài)繼電器功能方塊圖

　　SSR中的FET驅(qū)動電路通過光伏電源供電，由FET驅(qū)動電路所接收的LED光流是提供FET驅(qū)動電路推動輸出MOSFET的*能量來源，光伏電壓由12個上下堆棧的光二極管產(chǎn)生，每個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對輸出MOSFET整體柵極電容充電的zui大電流值，這個光電流越大，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)動電流為10mA時大約在20uA的范圍。

　　在FET驅(qū)動電路設(shè)計中采用了快速關(guān)斷電路（Fast Turn-Off Circuit），這個電路的目的是當(dāng)LED電流下降到零關(guān)斷SSR時可以立即對柵極電容進行放電，這個電路只有在光伏電壓下滑時短暫導(dǎo)通，接著快速關(guān)斷電路可以確保SSR的關(guān)斷時間要比SSR的導(dǎo)通時間短上許多。，F(xiàn)ET驅(qū)動電路的功耗可以被忽略，因為所產(chǎn)生的光電流在驅(qū)動電流為10mA時大約只有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)動電路設(shè)計同時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，這個電路的工作原理是，當(dāng)SSR處于關(guān)斷狀態(tài)時，SSR接點上出現(xiàn)的任何瞬間高電壓變化會通過電容耦合到瞬變抑制晶體管的基極并暫時導(dǎo)通，造成柵極放電以確保輸出MOSFET不會在SSR輸出接點收到這個瞬變高電壓脈沖時導(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)警報系統(tǒng)
• 　　照明控制
• 　　儀器系統(tǒng)
• 　　分裝機
• 　　自動販賣機
• 　　測試和測量
• 　　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
• 　　辦公室和業(yè)務(wù)機器設(shè)備
• 　　導(dǎo)航系統(tǒng)
• 　　國防和軍事硬件

　　（b）太陽能陣列電池充電

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

　　（c）脈沖撥號

　　（d） 繼電器線圈驅(qū)動

　　（e） 溫度控制器

　　（f） 多通道交流負(fù)載控制模塊