開關(guān)熱切換模式的特征分析

　　1. 概述

　　熱切換指的是在開關(guān)操作(打開或者是閉合)的時(shí)候，開關(guān)上攜帶著信號(hào)。它對(duì)開關(guān)的壽命有著很大的影響，熱切換的影響比冷切換的影響大的是好幾個(gè)數(shù)量級(jí)的。

　　開關(guān)的供應(yīng)商一般會(huì)在說明書上將這些信息都標(biāo)注出來，但是他們一般都得說明一下在特定的阻抗源和負(fù)載的情況下，這些開關(guān)的參數(shù)是怎么樣的。當(dāng)將開關(guān)放置到開關(guān)系統(tǒng)中之后，會(huì)有一些問題的出現(xiàn)的，這些是需要特別注意的，下面就詳細(xì)來說說可能出現(xiàn)的情況。

　　2. 電容性熱切換模式

　　一般而言，對(duì)于用戶而言，是很難判斷開關(guān)是處在什么樣的電壓或者電流狀態(tài)下的。當(dāng)一個(gè)低阻抗源于一個(gè)高阻抗的負(fù)載連接在一起，但是布線或者是負(fù)載包含著很大的寄生電容，那么終點(diǎn)處的開關(guān)將會(huì)因?yàn)殡娙莸脑措姾傻拇嬖诙?jīng)受著很高的浪沖電流。當(dāng)開關(guān)連接到一個(gè)在初始狀態(tài)就擁有很多電荷的電容性的負(fù)載時(shí)，也會(huì)有很高的浪沖電流。這種情況一般是存在于用來進(jìn)行極性逆轉(zhuǎn)的開關(guān)系統(tǒng)中，或是在使用的過程中在高阻抗的負(fù)載中殘留了一些電荷。所以，在很多系統(tǒng)中，一般會(huì)使用布線等方式來釋放這些剩余的電荷。

　　開關(guān)模塊一般會(huì)包括最大的熱切換電壓，而且一般是以連接到某些阻性負(fù)載的情況下使用的。應(yīng)該注意的是，當(dāng)使用的時(shí)候有很長(zhǎng)的線纜或者是電容性的負(fù)載連接到開關(guān)系統(tǒng)中的時(shí)候，說明書上的標(biāo)注的這些參數(shù)都會(huì)相應(yīng)的貶值。

　　3. 電源充電模式

　　有一種潛在的比較隱蔽的情況是，當(dāng)電源連接到一個(gè)已經(jīng)連接到另外一個(gè)電源的負(fù)載上時(shí)，開關(guān)所進(jìn)行的也是一種熱切換。這個(gè)負(fù)載一般會(huì)有一種局部去耦合電容，所以，在突然連接到電源的時(shí)候，會(huì)引起很大的浪涌電流。這些電流一般都不受電源的電流的限制，因?yàn)樗鼈兪菑碾娫吹慕怦钬?fù)載中解耦出來的電荷形成的。一些開關(guān)的這些浪涌電流的參數(shù)會(huì)比一般的開關(guān)的大，這些開關(guān)有代表性的是那些設(shè)計(jì)來專門用于將會(huì)大的摩擦動(dòng)作或者用在高溫環(huán)境的系統(tǒng)中的開關(guān)。固態(tài)繼電器開關(guān)一般都有更加強(qiáng)大的承受能力，它們很適合用于有電源的熱切換系統(tǒng)中，因?yàn)樗鼈兊碾娙蓍g的浪涌電流的承受能力會(huì)比它們的穩(wěn)態(tài)電流承受能力高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

　　4. 閉合結(jié)構(gòu)的熱切換故障

　　大多數(shù)的機(jī)械開關(guān)的熱切換故障一般都是由于連接部分的過熱以及腐蝕而焊接在一起，或者是帶有變化的或者是間歇性的阻抗，特別是在小電流的情況下更加明顯。融化而焊接的部分一般會(huì)引起很大的浪涌電流，因?yàn)檫B接部分是有軟金屬，就很容易熔化。連接錯(cuò)誤一般會(huì)由于腐蝕或是連接的那個(gè)位置有一些碎片的存在。

　　熱切換也會(huì)在開關(guān)系統(tǒng)中引起很大的波形的變化，在電流中的突然的變化，還有電壓水平的變化會(huì)激發(fā)邊路的諧振電路，和外部連接到開關(guān)系統(tǒng)中。這些相對(duì)于開關(guān)的操作時(shí)間來說是很短的。

　　5. 開放結(jié)構(gòu)中的熱切換故障

　　這種故障的引起一般是因?yàn)椴皇煜ら_關(guān)的參數(shù)規(guī)格或者是開關(guān)使用在感性負(fù)載中。

　　當(dāng)開關(guān)使用在一個(gè)帶有感性負(fù)載的系統(tǒng)中的時(shí)候，突然的打開，或者是突然的關(guān)閉將會(huì)產(chǎn)生很高的電壓尖脈沖，這些都是由于在感應(yīng)器中的東西釋放出來了。機(jī)械開關(guān)可以創(chuàng)建一個(gè)多個(gè)中斷點(diǎn)，或者是一個(gè)連續(xù)的弧形。

　　機(jī)械開關(guān)一般帶有一個(gè)跟隨著電壓的增長(zhǎng)而迅速下降的電流參數(shù)，因?yàn)橛懈行载?fù)載的存在的時(shí)候，這些參數(shù)會(huì)有比較大的變化，并且這些能力的退化不是很容易標(biāo)定的。

　　在固態(tài)開關(guān)中，電流的變化一般會(huì)比機(jī)械開關(guān)的慢一些，但是由于感性負(fù)載的存在也將會(huì)產(chǎn)生電壓尖脈沖，這些尖脈沖將會(huì)引起由于超過了固態(tài)開關(guān)的承受能力而引起別的故障。在固態(tài)開關(guān)的說明書中一般會(huì)標(biāo)明最大的切換電壓和電流的能力，一般都是用微焦耳來表示。這些能量是可以通過公式0.5*L*I*I來計(jì)算的。這里的L是電感，I是電流。

　　6. 電弧引起的熱切換故障

　　在使用很大的功率的系統(tǒng)中，在使用機(jī)械開關(guān)進(jìn)行切換的時(shí)候，將會(huì)產(chǎn)生電弧，時(shí)間長(zhǎng)的話，這些電弧會(huì)引起連接點(diǎn)處出現(xiàn)腐蝕。這個(gè)電弧在連接的負(fù)載或者是信號(hào)源包含感性信號(hào)的時(shí)候?qū)?huì)引起很大的不良影響，因?yàn)闀?huì)有多個(gè)連接，就會(huì)出現(xiàn)多個(gè)電弧的出現(xiàn)，這樣傷害就變得更大了。

　　經(jīng)常性的操作一個(gè)功率開關(guān)的時(shí)候，將會(huì)在短時(shí)間內(nèi)引起很多由于附加的電弧，并提高了開關(guān)的溫度，而且在一般情況下，都會(huì)產(chǎn)生更多的腐蝕作用和產(chǎn)生更多的熱量。所以，很多大功率的機(jī)械開關(guān)會(huì)在相對(duì)低的周期內(nèi)進(jìn)行壽命測(cè)試，特別是它們將要用在最大功率的環(huán)境中的時(shí)候，就更加需要注意這些問題。一般來說，電弧的產(chǎn)生會(huì)引起溫度的升高，這些將會(huì)引起連接點(diǎn)的腐蝕并且會(huì)損壞開關(guān)部件，特別是塑料材質(zhì)的部分。一些開關(guān)會(huì)配置一個(gè)泄壓閥之類的部件，用于釋放多于的等離子體，以便減少電弧的產(chǎn)生的可能性。

　　在直流信號(hào)中，電弧的影響往往會(huì)變得更大，因?yàn)檫@種情況下，電弧會(huì)持續(xù)更長(zhǎng)的時(shí)間的。

　　下面的這個(gè)很急就是在30V的電壓和額外的過載電流引起的額，開關(guān)已經(jīng)被損壞了。其中電弧只持續(xù)了1秒鐘的時(shí)間，就引起了這樣的傷害。

　　當(dāng)電弧是在中間電流中發(fā)生的話，那么就意味著開關(guān)的包裝已經(jīng)在電弧發(fā)生的過程中浪費(fèi)了很大的功率。這種情況一般不會(huì)發(fā)生在固態(tài)繼電器中的。

　　7. 射頻熱切換模式

　　在進(jìn)行射頻信號(hào)熱切換的時(shí)候，一般會(huì)發(fā)生一個(gè)跟切換其他信號(hào)的時(shí)候不太一樣的情況的發(fā)生。如果源VSWR很高的時(shí)候，在開關(guān)從打開狀態(tài)切換到閉合，或者是開關(guān)被打開的時(shí)候，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)很高的電壓。如果信號(hào)源的VSWR足夠高，并且還允許反饋信號(hào)建立一個(gè)很高的電壓，那么插損會(huì)通過減弱反饋信號(hào)來減少最大電壓。

　　由于操作狀態(tài)對(duì)射頻信號(hào)的熱切換模式是有很大的影響，所以，除非特別的情況之下，要不這樣的功率會(huì)引起源信號(hào)的很低的VAWR。如果繼電器是在進(jìn)行低的源信號(hào)或者是負(fù)載信號(hào)的VSWR的切換的時(shí)候，熱切換的性能將會(huì)降低，而且有什么樣的變化將取決于開關(guān)信號(hào)的狀態(tài)。

　　8. 功率限制

　　開關(guān)的參數(shù)一般都會(huì)有一個(gè)功率大小的限制。在直流信號(hào)的時(shí)候，應(yīng)該注意的是這個(gè)功率經(jīng)常會(huì)表現(xiàn)成了信號(hào)電壓或者是電流。當(dāng)電壓上升的時(shí)候，開關(guān)可承受的功率將會(huì)大大減少。

　　9. 直流和交流信號(hào)之間的差距

　　熱切換的功率在直流和交流信號(hào)的環(huán)境之下是不一樣的，交流信號(hào)擁有更大的功率。在直流信號(hào)開關(guān)中的信號(hào)幾乎都是一個(gè)方向的，所以，腐蝕就會(huì)產(chǎn)生的更快。在交流信號(hào)應(yīng)用中，腐蝕是雙向的而且在信號(hào)變?yōu)?的時(shí)候，將會(huì)抑制這種腐蝕。

　　當(dāng)承載的交流信號(hào)是來源于 AC電源的反饋成分的時(shí)候，電容器將會(huì)出現(xiàn)問題，并減少了開關(guān)的熱切換能力。在交流電源系統(tǒng)中，它們擁有很多代表性的東西，如濾波器和變壓器，它們比較容易產(chǎn)生問題。線性信號(hào)源或者是負(fù)載在阻斷信號(hào)的時(shí)候會(huì)延長(zhǎng)電弧持續(xù)的時(shí)間，電容性的負(fù)載將會(huì)關(guān)閉的路徑中產(chǎn)生很高的浪涌電流。

　　10. 最小電容

　　我們應(yīng)該注意的是在某些電磁繼電器的熱切換模式下，會(huì)要求要有很穩(wěn)定的連接電阻，而且這個(gè)地方的電容需要保持在某個(gè)最小值的范圍之內(nèi)的。這個(gè)最小電容是需要小到剩余的電纜和電容可以通過一個(gè)浪涌電流來抵消掉的。

　　在進(jìn)行了頻繁的直流信號(hào)熱切換之后，開關(guān)也會(huì)出現(xiàn)一些問題。因?yàn)檫@些操作可能會(huì)使得表面層的金屬掉落，從而降低了射頻信號(hào)的切換性能，會(huì)增加損耗和頻率相關(guān)性，特別是在一些低頻的應(yīng)用中。所以，我們需要盡可能地防止在射頻應(yīng)用中切換直流信號(hào)。

　　11. 固態(tài)繼電器

　　固態(tài)繼電器在正常的使用情況下，它們的壽命是無限長(zhǎng)的，不用擔(dān)心類似于電磁繼電器經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)的電弧的影響和連接器件的問題。經(jīng)常性地切換幾百M(fèi)赫茲的信號(hào)的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，切換的速度越快的時(shí)候，產(chǎn)生的熱量也就越少。所以說，使用固態(tài)繼電器是在需要長(zhǎng)壽命的熱切換的應(yīng)用中最好的解決方案。

　　12. 總結(jié)

　　綜上所述，在測(cè)試系統(tǒng)中進(jìn)行熱切換的時(shí)候，需要注意的是開關(guān)本身的性質(zhì)，畢竟有些開關(guān)在多次熱切換之后，會(huì)對(duì)信號(hào)本身有很大的影響。在選取開關(guān)模塊的時(shí)候，更加需要注意這些問題，像選用Pickering的PXI 開關(guān)的時(shí)候，產(chǎn)品的種類是很多的，有舌簧繼電器、固態(tài)繼電器、電磁繼電器和微波開關(guān)等類型，只有選擇了最適合實(shí)際應(yīng)用的產(chǎn)品，才能用最經(jīng)濟(jì)、高效的方案來解決問題。