不同類型無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)的性能比較
1 前言
傳統(tǒng)的集成模擬開關(guān)電路如ADG211系列等由于其接觸電阻在幾十Ω至數(shù)百Ω范圍，不能滿足功率器件的開關(guān)控制要求。由于半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，目前已經(jīng)有諸多無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)可供設(shè)計(jì)者選用。無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)在電磁兼容性、可靠性、安全性等方面的優(yōu)越性是機(jī)械式繼電器無(wú)法比擬的。本文介紹幾種新型的無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)。由于應(yīng)用領(lǐng)域的多樣性，對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，會(huì)有不同的要求。如控制對(duì)象有直流交流之分;控制對(duì)象的負(fù)載電流、接觸電阻的要求可能有若干數(shù)量級(jí)的差別;對(duì)象的工作電壓可能從幾V到380 V甚至更高。新型器件提供了滿足各種性能要求的應(yīng)用，讀者可以直接選用適當(dāng)?shù)钠骷部梢杂煤?jiǎn)單的電路實(shí)現(xiàn)無(wú)觸點(diǎn)的開關(guān)控制。?
2 常用無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)
2.1 三端穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)的無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)
三端穩(wěn)壓器是設(shè)計(jì)者十分熟悉的常用廉價(jià)器件。圖1是利用三端穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)的開關(guān)電路。從控制端加入的信號(hào)決定是否將三端穩(wěn)壓器與地導(dǎo)通。若導(dǎo)通則輸出端上電，否則輸出端相當(dāng)于斷開。此電路十分簡(jiǎn)單，也容易調(diào)試，且有多種電壓的穩(wěn)壓器供選用，適用于直流負(fù)載的控制。缺點(diǎn)是穩(wěn)壓器的管壓降使輸出電壓有所降低，不適合電池供電的設(shè)備。選用低壓差三端穩(wěn)壓器會(huì)有所改善。
2.2 基于可控硅器件的無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)
目前有很多這類的器件供選擇，如意法半導(dǎo)體公司(ST)的ACS系列產(chǎn)品。該產(chǎn)品可以直接 用來(lái)控制風(fēng)扇、洗衣機(jī)、電機(jī)泵等設(shè)備，隔離電壓可達(dá)到500 V~千V以上。圖2是其典型應(yīng)用 電路。此類器件價(jià)格低廉，但是只能用于交流負(fù)載的開關(guān)控制。
2.3 基于光耦三極管和達(dá)林頓管用作無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)
基于光電三極管的無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)被稱為光電耦合器(photocoupler)[1]。如 Sharp PC817系列、NEC PS2500系列、安捷倫的HCPL260L/060L等。其工作原理如圖3所示。當(dāng)輸入端加正向電壓時(shí)發(fā)光二極管(LED)點(diǎn)亮，光敏三極管會(huì)產(chǎn)生光電流從集電極供給負(fù)載;當(dāng)輸入端加反向電壓時(shí)，LED不發(fā)光，使光敏三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，相當(dāng)于負(fù)載開路。從工作原理看，這類器件主要應(yīng)用于直流負(fù)載，也可用來(lái)傳輸電流方向不變的脈動(dòng)信號(hào)。該器件的工作速度比較高，一般在微秒級(jí)或者更快。
達(dá)林頓管是兩個(gè)雙極性晶體管的復(fù)合。達(dá)林頓管的最大優(yōu)點(diǎn)就是實(shí)現(xiàn)電流的多級(jí)放大，如圖4所示。缺點(diǎn)就是飽和管壓降較大。由于兩個(gè)晶體管共集電極，整個(gè)達(dá)林頓管的飽和電壓等于晶體管Q2的正向偏置電壓與晶體管Q1的飽和電壓之和，而正向偏置電壓比飽和電壓高得多，這樣整個(gè)達(dá)林頓管的飽和電壓就特別的高，因此達(dá)林頓管導(dǎo)通時(shí)的功耗較高。
仙童半導(dǎo)體(fairchild)的達(dá)林頓光耦合器采用隔離達(dá)林頓輸出配置，將輸入光電二極管 和初級(jí)增益與輸出晶體管分隔開來(lái)，以實(shí)現(xiàn)較傳統(tǒng)達(dá)林頓光電晶體管光耦合器更低的輸出飽 和電壓 (0.1 V) 和更高的運(yùn)作速度。該公司推出5種最新產(chǎn)品，采用單及雙溝道配置，提供3.3 V或5 V工作電壓的低功耗特性。雙溝道HCPL0730和 HCPL0731光耦合器提供5 V電壓操作和SOIC8封裝，能實(shí)現(xiàn)最佳的安裝密度。單溝道FOD070L、FOD270L及雙溝道FOD 073L器件的工作電壓為3.3 V，比較傳統(tǒng)的5V部件，其功耗進(jìn)一步減少33%。NEC公司的芯片PS2802.1/4，PS27021，PS25021/2/4，PS25621/2 等也屬于達(dá)林頓光耦合器。
2.4 基于MOS或IGBT的無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)
基于MOS場(chǎng)效應(yīng)管的無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)由于耦合方式不同有很多類，例如采用光電耦合方式的稱為光耦合MOS場(chǎng)效應(yīng)管(OCMOS FET)，原理如圖5所示，虛線框內(nèi)為OCMOS FET的內(nèi)部原理圖。
電路內(nèi)部包括光生電壓?jiǎn)卧?dāng)發(fā)光二極管點(diǎn)亮?xí)r，該單元給場(chǎng)效應(yīng)管的柵極電容充電，這樣就增大柵極與源極間的電壓，使MOS場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，開關(guān)閉合。當(dāng)發(fā)光二極管熄滅時(shí)，光生電壓?jiǎn)卧辉俳o柵極電容充電，而且內(nèi)部放電開關(guān)自動(dòng)閉合，強(qiáng)制柵極放電，因此柵源電 壓迅速下降，場(chǎng)效應(yīng)管截止，開關(guān)斷開。OCMOS FET有兩種類型：一種是導(dǎo)通型(maketype)，常態(tài)下為斷開;另一種是斷開型(breaktype);常態(tài)下為導(dǎo)通。本文所指的是導(dǎo)通型。光耦合 MOS場(chǎng)效應(yīng)管是交直流通用的，工作速度沒有光電耦合器快，為毫秒級(jí)，他的輸出導(dǎo)通特性與輸入電流參數(shù)無(wú)關(guān)。OCMOS FET 可以以弱控強(qiáng)，以毫安級(jí)的輸入電流驅(qū)動(dòng)安級(jí)的電流。由于場(chǎng)效應(yīng)管可以雙向?qū)ā?dǎo)通電阻低的特征，他主要用于中斷交流信號(hào)，如圖5所示，因此OCMOS FET又被稱為固態(tài)繼電器(SSR)[2]。
基于MOS場(chǎng)效應(yīng)管的無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)器件很多，例如日本電氣公司(NEC)的 PS7200系列、Toshi ba TLP351系列、松下Nais AQV系列。通常低導(dǎo)通電阻型適用于負(fù)載電流較大的場(chǎng)合，例如N EC PS710B1A：導(dǎo)通電阻Ron = 0.1Ω(最大)，負(fù)載電流IL=2.5 A(最大)，導(dǎo)通時(shí)間Ton=5 ms。低CR積型的光MOS FET適用于需要切換高速信號(hào)的場(chǎng)合，如測(cè)量?jī)x表的測(cè)試端等。所謂CR積指的是輸出級(jí)MOS FET的輸出電容與接通電阻的乘積，他是評(píng)價(jià)MOS FET特性的一個(gè)參數(shù)指標(biāo)。如NECPS7200H1A：導(dǎo)通電阻Ron=2.2 Ω，CR積為9.2 pF·Ω，導(dǎo)通時(shí)間Ton=0.5 ms，負(fù)載電流IL =160 mA。絕緣柵雙極晶體管IGBT[3]的結(jié)構(gòu)如圖6
這種結(jié)構(gòu)使IGBT既有MOS FET可以獲得較大直流電流的優(yōu)點(diǎn)，又具有雙極型晶體管較大電流處理能力、高阻塞電壓的優(yōu)點(diǎn)。這種器件可以連接在開關(guān)電路中，就像NPN型的雙極型晶體管，兩者顯著的區(qū)別在于IGBT不需要門極電流來(lái)維持導(dǎo)通。基于IGBT的無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)，例如Agillent HCPL3140/HCPL0314系列。
各種無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)的比較
為了方便設(shè)計(jì)者選用合適的電路，表1給出了不同類型無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)的參考芯片，并比較了各 芯片的開關(guān)特性。
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