以高壓模擬開關(guān)替代光繼電器

在自動化測試、工廠控制系統(tǒng)等高精度應(yīng)用場合，光繼電器（Photorelay）長期以來是實(shí)現(xiàn)高壓信號切換的主流方案。但隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，高壓模擬開關(guān)在集成度、尺寸、速度和成本方面逐漸展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。尤其在德州儀器（TI）推出支持高達(dá)220V開關(guān)電壓的模擬開關(guān)產(chǎn)品后，工程師們開始重新評估傳統(tǒng)光繼電器方案的必要性。

然而，直接替換光繼電器并不是簡單的參數(shù)對照，尤其是電壓相關(guān)規(guī)格的匹配，若處理不當(dāng)可能導(dǎo)致系統(tǒng)損壞甚至功能失效。本文基于實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，探討在選用高壓模擬開關(guān)替代光繼電器時需重點(diǎn)考量的電壓參數(shù)及其設(shè)計(jì)實(shí)踐。

一、關(guān)鍵參數(shù)對照：從光繼電器到模擬開關(guān)

光繼電器與模擬開關(guān)雖然在功能上類似，但其數(shù)據(jù)手冊中的參數(shù)命名和定義存在較大差異。若要在設(shè)計(jì)中正確替換，必須理解以下幾個關(guān)鍵電壓參數(shù)：

1. 隔離電壓（Isolation Voltage, (V_)）

光繼電器的 (V_{iso}) 指的是其輸入端（LED側(cè)）與輸出端（MOSFET側(cè)）之間介質(zhì)能承受的最大電壓。該參數(shù)保證了光電隔離的能力，常用于需要電氣隔離的場合。

而在模擬開關(guān)中，并沒有直接對應(yīng)的“隔離電壓”概念。取而代之的是電源電壓范圍和 信號電壓范圍 ，設(shè)計(jì)中需確保模擬開關(guān)的供電電壓能夠覆蓋待切換信號的最高電壓。

2. 開關(guān)電壓（Switch Voltage, (V_)）

光繼電器的 (V_{switch}) 表示其輸出端能夠安全切換的最大電壓。在模擬開關(guān)中，與之對應(yīng)的是 Analog I/O Voltage ，即開關(guān)通道所能承受的信號電壓范圍。

? 替換準(zhǔn)則：
只要模擬開關(guān)的 Analog I/O 電壓規(guī)格 ≥ 光繼電器的 (V_{switch})，即可在大多數(shù)情況下實(shí)現(xiàn)替換。

舉例來說，若光繼電器規(guī)格為 100V，則可選用 TI 的 TMUX8212（支持±50V，即100V差分）或 TMUX9612（支持±110V，即220V差分）進(jìn)行替代。

二、地電平不一致時的解決方案

在實(shí)際系統(tǒng)中，控制信號地（Control GND）與開關(guān)信號地（Switch GND）常常并不共地。這種情況下若直接連接，可能導(dǎo)致邏輯電平誤判甚至器件損壞。

例如，當(dāng)控制側(cè)地為 -10V，而模擬開關(guān)的地為 -20V 時，普通的 GPIO 信號可能無法正確被識別為高/低電平。

TI 提供的 TXG 系列電平轉(zhuǎn)換器 （如 TXG8041/TXG8042）可解決此類問題。該器件能處理高達(dá) ±80V 的地電平差，確保控制信號正確傳遞至模擬開關(guān)的邏輯引腳。

控制信號（-10V）→ TXG Translator → 轉(zhuǎn)換后信號（-20V）→ 模擬開關(guān) SELx

借此，即使在不同地電位的系統(tǒng)中，也能可靠使用高壓模擬開關(guān)，同時享受到其小尺寸、低導(dǎo)通電阻和快速切換的優(yōu)勢。
三、總結(jié)

用高壓模擬開關(guān)替代光繼電器，不僅能顯著減小PCB面積、降低系統(tǒng)成本，還能提升切換速度和可靠性。然而，替換時必須嚴(yán)格比對電壓規(guī)格，特別是：

• 模擬開關(guān)的 Analog I/O 電壓需 ≥ 原光繼電器的 (V_{switch})；

• 若控制地與開關(guān)地存在電位差，應(yīng)使用如 TXG 系列的電平轉(zhuǎn)換器；

• 注意開關(guān)的供電電壓需覆蓋信號電壓范圍。

TI 目前提供的模擬開關(guān)產(chǎn)品已覆蓋從 50V 至 220V 的應(yīng)用場景，結(jié)合電平轉(zhuǎn)換方案，可滿足絕大多數(shù)高壓信號切換需求，是新一代測試、測量與自動化設(shè)備的優(yōu)選方案。

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