机械继电器、固态继电器和模拟开关对比分析

1 结构

2 长期可靠性

与机械继电器相比，光继电器明显提高了可靠性，因为没有活动器件。

光继电器通过 LED 进行光学控制。通常情况下，此 LED 会随着时间的推移比开关本身更快地降级，具体取决于温度、正向电流、开关速度等。随着 LED性能下降，需要更多电流才能完全开启光继电器。这可能需要更改系统并增大系统尺寸，以补偿这种可靠性。

模拟开关的可靠性不依赖于控制或开关频率的驱动强度。只要驱动多路复用器的电压高于阈值并且在器件的工作条件内，开关就会始终打开。与 LED 的驱动电流不同，该阈值电压不会随时间变化。

此外，模拟开关将具有额外的 ESD 保护，以在处理和组装过程中保护器件。通常，光继电器没有这种额外的集成，需要外部元件来实现相同级别的保护。

3 功耗

另一项关键系统要求是功耗。在机械继电器和光继电器器件上，主要功率分别由线圈和 LED 消耗。电流消耗可能因器件和实施方式而异，但通常需要 100mW/通道来激励机械继电器上的线圈。对于光继电器，LED 通常需要5mW/通道才能完全打开开关。在 4 通道多路复用器（模拟开关）上，每通道电源消耗的功率小于 2.5mW。

4 开关速度和热开关

由于光继电器和多路复用器（模拟开关）是没有活动器件的固态器件，因此它们不会像机械继电器那样出现弹跳问题。机械继电器改变状态时会发生弹跳。由于开关是物理的，因此在稳定之前，开关在导通和关断状态之间有一段时间抖动。此外，出于同样的原因，光继电器和多路复用器可以热切换（当开关上有电压时打开/关闭），而不会影响可靠性。

在机械继电器中，这种热切换会磨损甚至焊接接触器，从而导致严重的可靠性问题。多路复用器的另一个主要优势是其接通/关断时间快得多。机械继电器以 1-10ms 级打开/关闭。光继电器在这方面改进到大约 0.1-1 毫秒。多路复用器的性能甚至提高到了 50-500us 左右。这可以提高运行速度并消除系统中的潜在同步错误。

另一个重要的性能差异是，光继电器打开/关闭时间取决于 LED 驱动电流。随着 LED 上的正向电流增加，关断时间也会增加。多路复用器没有这种依赖性，无论 GPIO 驱动电压如何，都以恒定速度切换。

5 信号隔离

源极和漏极之间的关断电容CDS(OFF)可用来衡量关断开关后，源极信号耦合到漏极的能力。它是固态继电器（如PhotoMOS®、OptoMOS®、光继电器或MOSFET继电器）中常见的规格参数，在固态继电器数据手册中通常称为输出电容C OUT 。CMOS开关通常不包含此规格参数。

任何开关的一个关键性能指标是它在关断时隔离开关上信号的程度。请参阅此处所示的等效电路图图 5-1。理想情况下，开关的关断电阻非常高，而从输入到输出的电容非常低。当信号出现在开关的一侧时，我们可以计算整个频率范围内输出电压与输入电压的比值（以 dB 为单位）。对于光继电器和多路复用器器件，非隔离性能在不同频率范围内具有可比性，但可能因架构而异。

关断隔离段测试电路

隔离度计算公式

等效电路如下

推导过程

6 电容

对于瞬态和交流系统，开关电容会影响信号质量。请参考图 6-1。MOSFET 的主要电容分量有两个：开关两端的电容以及开关接地端的电容。在许多 PhotoRelay 数据表中，开关两端的电容指定为 Coff。该电容将开关的交流隔离定义为高通滤波器。该电容越大，关断时通过开关的交流电压越大。还需要注意的是，该电容在整个频率范围内并不平坦，并且通常会在较高频率时增加。对于多路复用器器件，数据表中通常未定义该参数，而是直接将关断隔离定义为开关关断时的性能。但是，可以使用图 6-1 轻松地转换这些值。

模拟开关导通寄生电容

模拟开关关断寄生电容

另一个关键寄生参数是多路复用器上的接地电容。在数据表中，这被描述为 Coff（当开关关闭时）和 Con（当开关打开时）。该电容将交流性能定义为低通滤波器。该电容越大，在高频下衰减的信号就越多。在光继电器中，没有直接的接地基准。因此，该电容的等效值定义为总电容。通常，系统中的关注点实际上是开关的 RC。这由导通电阻和乘以的电容一起定义。通常，RC 越低，开关在高速下的性能就越好。

7 导通电阻和平坦度

许多多路复用器器（模拟开关）件的一个缺点是导通电阻。由于许多多路复用器器件的架构，导通电阻可能随偏置电压的变化而显著变化。这会导致输出失真较大。

8 漏电流

精密系统中的一项关键性能指标是漏电流。如果在开关关闭时在开关上施加大电压，则不需要的电流会流过MOSFET。现代 MOSFET 设计已显著降低了这种泄漏，但对于某些应用，即使是几皮安也可能影响系统性能。这种泄漏通常定义为 Ioff 或关断漏电流。对于机械继电器，这种泄漏基本上为零，因为除了通过绝缘体之外没有其他路径可供电流通过。在固态解决方案中，漏电流主要来自 MOSFET 的背栅。因为光继电器没有接地基准，所以电流唯一可以通过的路径是开关。在多路复用器中，相对于地有一定量的漏电流。