在发明晶体管之前，继电器一直被用作开关。从低压信号安全地控制高压系统（如隔离电阻监测中的情况）的能力是开发许多汽车系统所必需的。尽管机电式继电器和接触器技术多年来有所改进，但对于设计人员来说，要实现其寿命可靠性和快速开关速度以及低噪声、冲击振动和功耗目标，仍然具有挑战性。

    电容式和电感式隔离固态继电器 (SSR) 具有性能和成本优势，并且适合不同级别的隔离（无论是基础型还是增强型）。与机电继电器和固态光继电器等替代技术相比，SSR 也具有优势。

    传统继电器开关解决方案

    机电继电器 (EMR) 在高压开关应用中很常见。EMR使用电磁力来机械地打开和关闭触点。鉴于其机械特性，EMR具有极低的导通电阻。它们的触点本质上是金属对金属的连接。

    在开关速度和可靠性方面，EMR确实需要权衡取舍。继电器内部的活动器件是一个限制因素，开关速度通常在5ms到15ms范围内。随着时间的推移和使用，EMR可能会出现诸如拱起、颤动和焊接闭合等故障。

    与EMR不同，光继电器没有活动器件，并可提供高隔离电压。光继电器是对传统 EMR 的改进；但是，它们也有设计注意事项，例如对可实现的功率传输的限制以及内部LED的老化。此外，光继电器需要外部限流电阻器，并且通常使用额外的场效应晶体管 (FET) 来管理LED的开或关状态。

    SSR中的电容式和电感式隔离

    TI的隔离式SSR可用作开关（带有集成FET）或用于控制外部FET的驱动器。无论是利用电容隔离还是磁隔离，TI的隔离式SSR产品系列都可以实现具有基础型或增强型隔离级别的设计。与EMR相比，TI的TPSI2140-Q1隔离式开关和TPSI3050-Q1隔离式驱动器具有更高的可靠性和更长的使用寿命，因为它们不会随着时间的推移而出现机械性能变差的情况。因此，SSR的寿命可靠性是传统EMR的10倍。TI的SSR还可以在几微秒内进行切换，比EMR快几个数量级。

    由于TPSI3050-Q1和TPSI2140-Q1通过单个隔离栅集成了电源和信号传输，因此无需二次偏置电源，从而可以实现减小解决方案尺寸。图1说明了在高压系统中使用TPSI2140-Q1隔离开关，消除了偏置电源和外部控制电路等外部元件。

    图 1：TPSI2140-Q1 隔离式开关减小了高压系统中的解决方案尺寸

    与传统光继电器和光耦合器相比，TPSI2140-Q1和TPSI3050-Q1等SSR也具有优势。TPSI2140-Q1和TPSI3050-Q1等TI器件的可靠性优于光继电器，因为不存在LED老化情况。无需外部控制电路，因为逻辑电平输入可以直接驱动系统。表1定性地比较了这些隔离开关技术。

    机电继电器

    光继电器

    具有电容式和电感式隔离的 TI SSR

    绝缘材料

    空气或环氧树脂

    环氧树脂或聚酰亚胺

    聚酰亚胺或二氧化硅

    介电强度 (1s)

    1VRMS/m

    20VRMS/m

    20VRMS/m

    300VRMS/m

    300VRMS/m

    500VRMS/m

    优势

    低电阻

    低电磁干扰 (EMI)辐射

    高速 (s)

    低功耗

    劣势

    低速 (ms)

    机械磨损、振动/磁抗扰度

    光化降级和局部放电

    必须设计为限制 EMI

    工作环境温度

    -40°C 至 85°C

    -40°C 至 85°C

    -40°C 至 125°C

    表 1：现有开关解决方案的比较情况

    结语

    TI的隔离式SSR以超快的速度、超高的工作温度和超低的系统成本提供超高的介电强度，还可以在更小的封装中实现更可靠的开关。