PhotoMOS Relay的热切换实验(Hot Switching)

    |     2015年5月23日   |   原创分享   |     0 条评论   |    10173

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我们先了解下PhotoMOS,PhotoMOS是指在输入元件中采用LED,在输出元件中采用MOSFET的光电耦合器。PhotoMOS与传统的机械型继电器最大的区别在于:PhotoMOS是一款“光电耦合器”,触点不进行机械性的开闭。为此,在触点可靠性、寿命、动作声音、动作速度、以及尺寸大小方面具有卓越的特性。

动作原理是通过光电元件(太阳能电池)将发光元件(LED)的光进行电压变换,通过功率MOSFET的导通、非导通,进行负载控制。图下表示动作时、还原时的原理。

 

图2-1

图2-2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PhotoMOS因优点突出,现在越来越多的被用于测试板上。了解PhotoMOS 的工作特性也显得更重要了。我们从PhotoMOS 的 datasheet可以看到当控制位动作时,输出端不是立马就有输出。这是因为输入端的LED发光让Gate端电压线性上升需要一定的时间,只有当Gate的电压大于Vth时MOS才会打开。随着Gate端电压不断上升 MOS的电阻不断减小直到稳定。下面是DataSheet的 Turn-ON/Turn-OFF 图,以及用实际电路测试的结果图。

DataSheet Turn-ON/Turn-OFF 示意图:

photomos6

实测时的原理图:

photomos4

实测的PhotoMOS Turn-ON/Turn-OFF 的响应图:

MOS电阻:Rmos=Vout*100Ohm/(10V-Vout),在50%位子,Rmos=100Ohm。

photomos2

photomos3

从以上图我们不难看出随着Gate的电压不断上升,MOS在100uS左右开始打开(不同类型的PhotoMOS不同,主要和它的大小有关),然后在随着Gate电压的继续上升,MOS 电阻急剧下降。MOS电阻的下降与Gate电压成倒数关系,也就是Rmos=k/(Vgate-Vth).

下面切入主题,PhotoMOS的热切换也会像机械Relay一样那样会出现很大的电流吗?我们知道MOS的电阻是有大变小的,而不是像机械的立马接触且接触电阻很小,那么在MOS电阻从大变小的过程中能让电路上因为热切换中多余的能量缓慢释放吗?

下面是搭的检测电路。我们知道热切换最恶劣的情况就是负载是低阻抗,比如接地。这样会没有限制的瞬间释放掉所有的能量。电路图中用的负载是大电容,这是为了便于我们分析问题。在开始阶段,恶劣情况等同于接地。下面是Setup的过程:

1,PhotoMOS保持open,APU给10V(100MA的电流RANGE),负载端放一个4.7uF的电容。电路中的红色电容是寄生电容,这个寄生电容和APU的状态有关,在APU10V/100mA的情况下它的寄生电容在150nF左右(关于测试机的寄生电容是可以被测试出来的,有兴趣的可以研究研究)。在这个Setup下寄生电容被充电到10V。

2,闭合PhotoMOS,这样不受控制的寄生电容的能量会放给我们的负载电容。

photomos5

那么会有很大的电流spike产生吗?下面是我们在4.7uF电容上测到的电压变化。第一段的线是因为寄生电容的放电,导致负载电容的电压极具上升,根据I=C*DV/DT,我们可以得出I=1.3A左右,我们也可以看出电流在第一段线上没有突然的大或小,因为它是线性上升。而且我们可以看出在开始的1us左右,因为MOS的电阻较大,电流比较小,电压上升不快。当能量释放完时,因为电流rang卡在100mA(实际充电电流为110mA多些,这是因为测试的硬件clamp,和测试机有关)。后面的电压上升就是测试机的电流在充电了。

photomos1

结论,PhotoMOS在热切换时,电流的大小和线路上的额外能量(不受控能量)有关,额外能量越大,电流越大。1.3A已经远超我实验的PhotoMOS的最大负载电流,因为持续时间不长PhotoMOS本身没有烧坏。一般有种说法就是在极短时间内,PhotoMOS可以承载4,5倍的极限电流。

当然我们要尽量避免热切换,这里只是热切换问题的严重性。

有时候如果考虑不周全也会导致一些人切换。比如:

热切换举例,如果测O/S时,因为当前device open,因抽不出电流电压clamp到-10V,进而对线路上的电容充电到-10V,测完O/S后又没放电的线路,然后open了相关Relay,关闭了相关测试机资源。那么该电容将保持-10V,直到在测试下一颗Device时,因为重新setup是,因为resource的电已经放完,这线路上是0V,那么线路上的寄生电容就会对这个-10V,放电,同时device的地也会通过二极管给电容放电。这样Relay和device都处于危险之中。

 
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