无触点开关在控制中的应用

　　1　前言

　　单片机和嵌入式系统的应用越来越广泛，机械式继电器依然是 常用的开关量执行控制手段。随着控制系统对控制质量提出了更高的要求，机械继电器在控制速度、电磁兼容性、隔离性能、寿命等方面往往不能满足要求。另一方面，随着集成电路集成度的提高，电源电压小 于3 V的器件已很常见，尤其采用电池供电的很多便携式设备，要求低电压、低功耗的器件。此时，机械继电器已经很难满足要求。

　　传统的集成模拟开关电路如ADG211系列等由于其接触电阻在几十Ω至数百Ω范围，不能满足功率器件的开关控制要求。由于半导体技术的发展，目前已经有诸多无触点开关可供设计者选用。无触点开关在电磁兼容性、可靠性、安全性等方面的优越性是机械式继电器无法比拟的。本文介绍几种新型的无触点开关。由于应用领域的多样性，对不同的应用场合，会有不同的要求。如控制对象有直流交流之分；控制对象的负载电流、接触电阻的要求可能有若干数量级的差别；对象的工作电压可能从几V到380 V甚至更高。新型器件提供了满足各种性能要求的应用，读者可以直接选用适当的器件，也可以用简单的电路实现无触点的开关控制。

　　2　常用无触点开关

　　2.1　三端稳压器实现的无触点开关

　　三端稳压器是设计者十分熟悉的常用廉价器件。图1是利用三端稳压器设计的开关电路。从控制端加入的信号决定是否将三端稳压器与地导通。若导通则输出端上电，否则输出端相当于断开。此电路十分简单，也容易调试，且有多种电压的稳压器供选用，适用于直流负载的控制。缺点是稳压器的管压降使输出电压有所降低，不适合电池供电的设备。选用低压差三端稳压器会有所改善。

　　2.2　基于可控硅器件的无触点开关

　　目前有很多这类的器件供选择，如意法半导体公司（ST）的ACS系列产品。该产品可以直接 用来控制风扇、洗衣机、电机泵等设备，隔离电压可达到500 V~千V以上。图2是其典型应用 电路。此类器件价格低廉，但是只能用于交流负载的开关控制。

　　2.3　基于光耦三极管和达林顿管用作无触点开关

　　基于光电三极管的无触点开关被称为光电耦合器（photocoupler）［1］。如 Sharp PC817系列、NEC PS2500系列、安捷伦的HCPL260L/060L等。其工作原理如图3所示。当输入端加正向电压时发光二极管（LED）点亮，光敏三极管会产生光电流从集电极供给负载；当输入端加反向电压时，LED不发光，使光敏三极管处于截止状态，相当于负载开路。从工作原理看，这类器件主要应用于直流负载，也可用来传输电流方向不变的脉动信号。该器件的工作速度比较高，一般在微秒级或者更快。

　　达林顿管是两个双极性晶体管的复合。达林顿管的 大优点就是实现电流的多级放大，如图4所示。缺点就是饱和管压降较大。由于两个晶体管共集电极，整个达林顿管的饱和电压等于晶体管Q2的正向偏置电压与晶体管Q1的饱和电压之和，而正向偏置电压比饱和电压高得多，这样整个达林顿管的饱和电压就特别的高，因此达林顿管导通时的功耗较高。

　　仙童半导体（fairchild）的达林顿光耦合器采用隔离达林顿输出配置，将输入光电二极管 和初级增益与输出晶体管分隔开来，以实现较传统达林顿光电晶体管光耦合器更低的输出饱 和电压 (0.1 V) 和更高的运作速度。该公司推出5种 新产品，采用单及双沟道配置，提供3.3 V或5 V工作电压的低功耗特性。双沟道HCPL0730和 HCPL0731光耦合器提供5 V电压操作和SOIC8封装，能实现 佳的安装密度。单沟道FOD070L、FOD270L及双沟道FOD 073L器件的工作电压为3.3 V，比较传统的5V部件，其功耗进一步减少33%。NEC公司的芯片PS2802.1/4，PS27021，PS25021/2/4，PS25621/2 等也属于达林顿光耦合器。

　　2.4　基于MOS或IGBT的无触点开关

　　基于MOS场效应管的无触点开关由于耦合方式不同有很多类，例如采用光电耦合方式的称为光耦合MOS场效应管（OCMOS FET），原理如图5所示，虚线框内为OCMOS FET的内部原理图。

　　电路内部包括光生电压单元，当发光二极管点亮时，该单元给场效应管的栅极电容充电，这样就增大栅极与源极间的电压，使MOS场效应管导通，开关闭合。当发光二极管熄灭时，光生电压单元不再给栅极电容充电，而且内部放电开关自动闭合，强制栅极放电，因此栅源电 压迅速下降，场效应管截止，开关断开。OCMOS FET有两种类型：一种是导通型（maketype），常态下为断开；另一种是断开型（breaktype）；常态下为导通。本文所指的是导通型。光耦合 MOS场效应管是交直流通用的，工作速度没有光电耦合器快，为毫秒级，他的输出导通特性与输入电流参数无关。OCMOS FET 可以以弱控强，以毫安级的输入电流驱动安级的电流。由于场效应管可以双向导通、导通电阻低的特征，他主要用于中断交流信号，如图5所示，因此OCMOS FET又被称为固态继电器（SSR）［2］。

　　基于MOS场效应管的无触点开关器件很多，例如日本电气公司（NEC）的 PS7200系列、Toshi ba TLP351系列、松下Nais AQV系列。通常低导通电阻型适用于负载电流较大的场合，例如N EC PS710B1A：导通电阻Ron = 0.1Ω( 大)，负载电流IL=2.5 A（ 大），导通时间Ton=5 ms。低CR积型的光MOS FET适用于需要切换高速信号的场合，如测量仪表的测试端等。所谓CR积指的是输出级MOS FET的输出电容与接通电阻的乘积，他是评价MOS FET特性的一个参数指标。如NECPS7200H1A：导通电阻Ron=2.2 Ω，CR积为9.2 pF·Ω，导通时间Ton=0.5 ms，负载电流IL =160 mA。绝缘栅双极晶体管IGBT［3］的结构如图6所示。

　　这种结构使IGBT既有MOS FET可以获得较大直流电流的优点，又具有双极型晶体管较大电流处理能力、高阻塞电压的优点。这种器件可以连接在开关电路中，就像NPN型的双极型晶体管，两者显著的区别在于IGBT不需要门极电流来维持导通。基于IGBT的无触点开关，例如Agillent HCPL3140/HCPL0314系列。

　　各种无触点开关的比较

　　为了方便设计者选用合适的电路，表1给出了不同类型无触点开关的参考芯片，并比较了各 芯片的开关特性。