不同類型無觸點開關的性能比較
1 前言
傳統(tǒng)的集成模擬開關電路如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控制要求。由于半導體技術的發(fā)展，目前已經有諸多無觸點開關可供設計者選用。無觸點開關在電磁兼容性、可靠性、安全性等方面的優(yōu)越性是機械式繼電器無法比擬的。本文介紹幾種新型的無觸點開關。由于應用領域的多樣性，對不同的應用場合，會有不同的要求。如控制對象有直流交流之分;控制對象的負載電流、接觸電阻的要求可能有若干數(shù)量級的差別;對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用，讀者可以直接選用適當?shù)钠骷部梢杂煤唵蔚碾娐穼崿F(xiàn)無觸點的開關控制。?
2 常用無觸點開關
2.1 三端穩(wěn)壓器實現(xiàn)的無觸點開關
三端穩(wěn)壓器是設計者十分熟悉的常用廉價器件。圖1是利用三端穩(wěn)壓器設計的開關電路。從控制端加入的信號決定是否將三端穩(wěn)壓器與地導通。若導通則輸出端上電，否則輸出端相當于斷開。此電路十分簡單，也容易調試，且有多種電壓的穩(wěn)壓器供選用，適用于直流負載的控制。缺點是穩(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備。選用低壓差三端穩(wěn)壓器會有所改善。
2.2 基于可控硅器件的無觸點開關
目前有很多這類的器件供選擇，如意法半導體公司(ST)的ACS系列產品。該產品可以直接 用來控制風扇、洗衣機、電機泵等設備，隔離電壓可達到500 V~千V以上。圖2是其典型應用 電路。此類器件價格低廉，但是只能用于交流負載的開關控制。
2.3 基于光耦三極管和達林頓管用作無觸點開關
基于光電三極管的無觸點開關被稱為光電耦合器(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。當輸入端加正向電壓時發(fā)光二極管(LED)點亮，光敏三極管會產生光電流從集電極供給負載;當輸入端加反向電壓時，LED不發(fā)光，使光敏三極管處于截止狀態(tài)，相當于負載開路。從工作原理看，這類器件主要應用于直流負載，也可用來傳輸電流方向不變的脈動信號。該器件的工作速度比較高，一般在微秒級或者更快。
達林頓管是兩個雙極性晶體管的復合。達林頓管的最大優(yōu)點就是實現(xiàn)電流的多級放大，如圖4所示。缺點就是飽和管壓降較大。由于兩個晶體管共集電極，整個達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，這樣整個達林頓管的飽和電壓就特別的高，因此達林頓管導通時的功耗較高。
仙童半導體(fairchild)的達林頓光耦合器采用隔離達林頓輸出配置，將輸入光電二極管 和初級增益與輸出晶體管分隔開來，以實現(xiàn)較傳統(tǒng)達林頓光電晶體管光耦合器更低的輸出飽 和電壓 (0.1 V) 和更高的運作速度。該公司推出5種最新產品，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 等也屬于達林頓光耦合器。
2.4 基于MOS或IGBT的無觸點開關
基于MOS場效應管的無觸點開關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場效應管(OCMOS FET)，原理如圖5所示，虛線框內為OCMOS FET的內部原理圖。
電路內部包括光生電壓單元，當發(fā)光二極管點亮時，該單元給場效應管的柵極電容充電，這樣就增大柵極與源極間的電壓，使MOS場效應管導通，開關閉合。當發(fā)光二極管熄滅時，光生電壓單元不再給柵極電容充電，而且內部放電開關自動閉合，強制柵極放電，因此柵源電 壓迅速下降，場效應管截止，開關斷開。OCMOS FET有兩種類型：一種是導通型(maketype)，常態(tài)下為斷開;另一種是斷開型(breaktype);常態(tài)下為導通。本文所指的是導通型。光耦合 MOS場效應管是交直流通用的，工作速度沒有光電耦合器快，為毫秒級，他的輸出導通特性與輸入電流參數(shù)無關。OCMOS FET 可以以弱控強，以毫安級的輸入電流驅動安級的電流。由于場效應管可以雙向導通、導通電阻低的特征，他主要用于中斷交流信號，如圖5所示，因此OCMOS FET又被稱為固態(tài)繼電器(SSR)[2]。
基于MOS場效應管的無觸點開關器件很多，例如日本電氣公司(NEC)的 PS7200系列、Toshi ba TLP351系列、松下Nais AQV系列。通常低導通電阻型適用于負載電流較大的場合，例如N EC PS710B1A：導通電阻Ron = 0.1Ω(最大)，負載電流IL=2.5 A(最大)，導通時間Ton=5 ms。低CR積型的光MOS FET適用于需要切換高速信號的場合，如測量儀表的測試端等。所謂CR積指的是輸出級MOS FET的輸出電容與接通電阻的乘積，他是評價MOS FET特性的一個參數(shù)指標。如NECPS7200H1A：導通電阻Ron=2.2 Ω，CR積為9.2 pF·Ω，導通時間Ton=0.5 ms，負載電流IL =160 mA。絕緣柵雙極晶體管IGBT[3]的結構如圖6
這種結構使IGBT既有MOS FET可以獲得較大直流電流的優(yōu)點，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。這種器件可以連接在開關電路中，就像NPN型的雙極型晶體管，兩者顯著的區(qū)別在于IGBT不需要門極電流來維持導通�；贗GBT的無觸點開關，例如Agillent HCPL3140/HCPL0314系列。
各種無觸點開關的比較
為了方便設計者選用合適的電路，表1給出了不同類型無觸點開關的參考芯片，并比較了各 芯片的開關特性。
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