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固态继电器的选择和应用

相对于传统的机电式继电器和干簧管继电器，固态继电器具有功耗低、体积小和可靠性高的特点，因而越来越受到设计师的认可。本文将着重介绍固态继电器和传统机电式继电器的区别、了解固态继电器的特性以及选择和使用固态继电器的技巧。
固态继电器的分类
固态继电器有很多种，在光耦的子目录中，根据其输出级可以分为光电三极管、光电IC、光电可控硅以及光电MOSFET。本文介绍的固态继电器仅仅是指光电MOSFET，有一些设计师和供应商将PhotoTriac即光电可控硅也称为固态继电器。根据固态继电器开关形式可以划分为：FormA为单刀单掷常开型继电器；FormB为单刀单掷常闭型继电器；FormC为单刀双掷型继电器，也称为SPDT继电器。PhotoMOSFETFormA继电器使用了增强型场效应管，FormB固态继电器使用了耗尽型场效应管，FormC固态继电器可通过将FormA和FormB固态继电器串联得到。此外，根据封装形式分类，大多数固态继电器都是塑料封装，也有密封的陶瓷封装用作军事或者太空应用。
固态继电器与机电式继电器的比较
首先，由于固态继电器在操作中不会产生电弧，因而具有高稳定性；而对机电式继电器而言，触点闭合时会产生电弧，一段时间之后，触点的阻值会逐渐增加直到触点完全被销毁，最终使该继电器失效。这一差异使固态继电器可以进行表贴，而机电式继电器需要安放于IC插座中以便替换。其次，固态继电器只需用电阻将LED的驱动电流限制在10mA左右；而机电式继电器则需要几百毫安的电流驱动感性线圈，由于大多数逻辑门和CMOSIC都能够直接驱动LED，因而使用固态继电器可以帮助减少方案的成本。再次，固态继电器的小封装尺寸也可以满足高密度布板的需要。最后，对机电式操作而言，得到稳定的输出需要把去反跳时间计算进去，这样EMR的有效开关时序被增加到5ms以上，固态继电器则提供快得多的1ms以下的开关速度，显著提高了数据的吞吐量。固态继电器也有其自身的限制，从而造成某些应用暂时无法离开机电式继电器。首先，固态继电器导通电阻范围在50m?到100?之间，导致加载电流时产生显著的热量，然而由于功耗的限制，固态继电器的电流驱动能力通常被限制在5A以下。其次，高频信号可以在寄生的关断状态电容中形成通路而通过，关断状态电容低至0.5pF的固态继电器可以隔离100MHz的信号，但是如果有很多通道存在时，更低频率的信号需要被考虑是否对设计有影响。最后，需要注意的是固态继电器的关断状态漏电流。尽管这个漏电流在室温时低至pA级，然而随着工作温度的升高，漏电流可以高到10μA，这对设计也会造成问题。
固态继电器的特性
固态继电器的最基本功能是通过低功率电气隔离输入信号进行AC/DC负载电路的开关控制，其基本工作原理如图1所示。输入是一个电流驱动的LED，由于大多数芯片的输出均为电压，且很容易通过限流电阻串接到LED的阳极或阴极转换成驱动LED的电流。LED发出的光信号通过透光绝缘层被耦合到光检测器上，透光绝缘层保证了输入和输出侧的电气隔离。输出级包含有两个PowerMOSFET，固态继电器关断状态的耐压能力取决于这两个崩溃电压，通过这两个MOSFET的串联，可将固态继电器接到AC/DC负载中。

固态继电器有两种基本配置，分别为AC/DC通用连接以及DC专用连接，如图2所示。从图2左图可以看到，在AC/DC通用连接中两个MOSFET漏极被接入到负载电路，而源极没有外接到电路中。这种连接方式是双向的，允许AC/DC信号通过。在DC专用连接中，连接到MOSFET引脚被接入到电路中，两个MOSFET是并联的而非串联，因此可以在不增加功耗的同时将导通电阻减小到原来的四分之一。在DC专用连接方式中，需注意连接的极性，如图2中右图所示，需将两个MOSFET漏极短接在一起以作为正极使用。

固态继电器的取舍考量
选择固态继电器一个至关重要的准则是应用中的工作电压，通常需要给设计保留20%的余量，另外选择时需要注意AC电压。对于大多数应用，负载电流是第二重要的准则，固态继电器中持续的负载电流不可以超过其规定的绝对最大值，可以通过负载中串联限流电阻加以保证。此外，负载电流值在环境温度升高时需要降额使用，降低的程度依赖于封装的额阻值，而且板子的状况也会影响电流的降低曲线。
可耐受电压是最关键的选取标准，MOSFET耐受电压增加时其导通电阻也会增加，因此60V时很容易找到导通电阻为0.5?的SO4封装继电器，但找到一个导通电阻相同的400VDIP封装的固态继电器却很难。例如，我们仅能提供导通电阻为25?的SO4400V固态继电器。原因是导通电阻增加，负载电流容量就应相应减小，以维持相同的功耗，防止热损坏。另一个取舍考量是输入驱动电流和开关速度。高速开关的应用中需要用到很大的输入驱动电