РадиоЛоцман - Все об электронике

МЭМС реле расширяют пределы коммутируемой мощности

Журнал РАДИОЛОЦМАН, октябрь 2019

Paul Rako

Electronic Design

На выставке APEC 2019 компания Menlo Micro продемонстрировала свое новое силовое реле, изготовленное с использованием технологий микроэлектромеханических систем (МЭМС). Menlo Micro, дочерняя компания General Electric (GE), рассчитывала разработать надежную и безопасную технологию коммутации питания для своего магниторезонансного томографа и другого медицинского оборудования.

МЭМС реле расширяют пределы коммутируемой мощности

На первом этапе Menlo Micro реализовала лицензированную GE технологию в радиочастотных и других маломощных приложениях. Теперь же она создала компонент, способный коммутировать ток 3 А при напряжении 150 В (Рисунок 1). MM1200-6 – это МЭМС реле, которое, по заявлению компании, может выдерживать три миллиарда переключений при температуре 85 °C. Шестью коммутаторами вы управляете через последовательную шину SPI. Любой из шести переключателей может пропускать через себя ток 1 А, однако максимальный ток, протекающий через все коммутаторы корпуса, ограничен значением 3 А.

МЭМС-реле MM1200 компании Menlo Micro намного меньше обычных реле.
Рисунок 1. МЭМС-реле MM1200 компании Menlo Micro намного
меньше обычных реле.

Параллельно с МЭМС контактами реле имеет МОП транзистор. Этот транзистор может устранить искрение контактов, поскольку управляющая электроника внутри устройства выключает МОП транзистор после размыкания контактов. Включается МОП транзистор перед замыканием контакта, что объясняет малое время включения 10 мкс – намного лучше, чем у обычного МЭМС-переключателя.

Параллельный МОП транзистор

Параллельный МОП транзистор [1] не указан в спецификации Menlo Micro, но вы можете сделать вывод о его наличии. Во-первых, в техническом описании указано «номинальное напряжение переменного или постоянного тока +150 В». «Переменного» означает, что это биполярное устройство, тогда как «+» показывает, что оно в действительности может работать только с положительным напряжением. Для коммутации переменного тока вы должны использовать два встречно включенных устройства, аналогично твердотельному реле, в котором используются два встречно включенных МОП транзистора. Кроме того, аналогично полевому транзистору, в документации указан ток утечки 19 пА при напряжении 150 В, приложенном к контактам, но нет информации о зависимости этой утечки от температуры.

Использование МОП транзистора, параллельного механическим контактам, является умным решением и может позволить взять лучшее из обоих подходов к конструкции реле. Одновременно это может также дать худшее из обоих подходов – такое как инжекция заряда затвора в исток и эффект Миллера. Реле имеют ограничения по рабочей температуре и выпускаются в версиях 85 °C и 100 °C. Обратите внимание, что 27 из 49 контактов корпуса BGA предназначены для земли, поэтому вы можете легко отводить тепло от компонента. Сопротивление замкнутого контакта составляет 500 мОм, а это значит, что при токе 1 А в виде тепла будут теряться 500 мВт. Пока вы не забываете о гибридной природе этой штуковины, вы можете быть уверены, что учтете все проблемы, с которыми, возможно, вам придется столкнуться.

Одним из преимуществ является то, что активация реле является электростатической, что должно сделать его гораздо более защищенным от паразитных магнитных полей, которые иногда могут быть достаточно сильными, чтобы от них сработало обычное реле, как это случилось однажды со сгоревшей стойкой моего друга. Поскольку контакты приводятся в действие электростатически, на реле необходимо подавать напряжение смещения 75 В, а также логическое питание 5 В. От источника смещения 75 В реле потребляет всего 100 мкА.

Обратите внимание на шум

Помимо инжекции заряда из открывающегося и закрывающегося МОП транзистора, дополнительные проблемы возникают от того, что электростатический затвор находится в непосредственной близости от контактов (Рисунок 2).Это означает, что любой шум источника смещения 75 В может проникнуть в цепь прохождения сигнала. Большинству приложений это не должно мешать, но, тем не менее, о потенциальной проблеме следует помнить.

Контакты внутри реле Menlo Micro замыкаются с помощью команды SPI, которая подает 75-вольтовый сигнал на затвор структуры.
Рисунок 2. Контакты внутри реле Menlo Micro замыкаются с
помощью команды SPI, которая подает 75-вольтовый
сигнал на затвор структуры.

Я спросил Криса Джованниелло (Chris Giovanniello), старшего вице-президента подразделения разработки продуктов в Menlo Micro, помогла ли герметичность МЭМС-устройства в достижении необходимых длин путей утечки между выводами и по корпусу. Он ответил: «Да, это герметично, и это очень важно. Мы можем без искрения выдерживать относительно высокие напряжения – 200 В или 400 В – в очень маленьком зазоре».

Отвечая на мой вопрос о ценах, он отметил, что когда объемы заказов достигнут миллионов, он рассчитывает предлагать клиентам продукты по цене менее доллара за канал, а в случае этого компонента – 6 долларов. В настоящее время доступны опытные образцы, а массовое производство будет развернуто в первом квартале 2020 года. Для ограниченного круга клиентов уже установлены твердые цены.

Закон Пашена

Для реализации электростатического управления необходимо, чтобы контакты были как можно ближе друг к другу. Может показаться, что это должно быть проблемой для реле с рабочим напряжением 150 В. Но Джованниелло отослал меня к закону Пашена, который связывает зазор между контактами и пробивное напряжение (Рисунок 3). Он заметил, что, глядя на графики, «Вы получите некоторые намеки в отношении физически процессов, стоящих за тем, что мы делаем. Это парадоксально, но иногда меньшие зазоры могут дать более высокое напряжение искрения».

Закон Пашена гласит, что напряжение дуги между двумя контактами будет увеличиваться, когда контакты сближаются. (Источник: Wikipedia).
Рисунок 3. Закон Пашена гласит, что напряжение дуги между
двумя контактами будет увеличиваться, когда
контакты сближаются. (Источник: Wikipedia).

График отображает зависимость пробивного напряжения от давления и величины зазора. Малые зазоры, необходимые для электростатической активации, фактически, улучшают пробивное напряжение устройства. Вероятно также, что для достижения лучшего напряжения пробоя Menlo Micro может подбирать давление или состав заполняющего газа.

Компания не новичок в области МЭМС переключателей (Рисунок 4). Она успешно выпускает радиочастотные коммутаторы, объединив техпроцессы, полученные от GE и Corning Glass, которые она унаследовала при выходе из GE. Menlo использует металлические сплавы собственной разработки, которые наносятся на стеклянные пластины. Стеклянные пластины, поставляемые Corning, имеют межслойные переходные соединения (TGV – Through-glass vias), обеспечивающие необходимые характеристики МЭМС-приборов.

Свою технологию МЭМС Menlo Micro оттачивала на радиочастотных коммутаторах.
Рисунок 4. Свою технологию МЭМС Menlo Micro оттачивала
на радиочастотных коммутаторах.

Джованниелло объясняет: «Большинство инновационный решений Menlo приходится на усовершенствованные материалы и процессы для изготовления высоконадежных контактов коммутаторов. В частности, это нестандартные сплавы, сохраняющие очень высокую механическую прочность в течение длительного срока службы, но одновременно обладают высокой электропроводностью и низкими потерями. Мы также изготавливаем эти переключатели на кремнии или стекле, что дает нам сверхвысокие характеристики с точки зрения изоляции и радиочастотных параметров. Это уникальная характерная черта наших изделий, поскольку существует не так уж много технологий изготовления МЭМС на стекле».

Примите во внимание, что исследования и разработки в области мощных МЭМС-коммутаторов ведутся многими компаниями. Некоторые исследователи изучают способы магнитной активации, где можно генерировать гораздо большие контактные силы при более низких приложенных напряжениях. Другие исследования утверждают, что достигли рубежа напряжения пробоя 1000 В с почти амперным током, проходящим через переключатель. Если они смогут довести это до производства, это будет означать действительно биполярное реле с гальванической развязкой между выводами управления и контактами.

Радиочастотные МЭМС-коммутаторы

Большинство МЭМС-переключателей предназначены для радиочастотных приборов, где им не нужно проводить большой ток (Рисунок 5). Обширную линейку МЭМС-переключателей выпускает Analog Devices, несомненно, основываясь на своих новаторских исследованиях в области технологии МЭМС-акселерометров. Отличный рассказ об этой технологии Analog Devices разместила на своем веб-сайте [2].

Analog Devices предлагает широкий выбор МЭМС-переключателей для радиочастотных приложений. Приваренные к кристаллу проводники в правом верхнем углу дают представление о малых размерах компонента.
Рисунок 5. Analog Devices предлагает широкий выбор МЭМС-переключателей
для радиочастотных приложений. Приваренные к кристаллу
проводники в правом верхнем углу дают представление о малых
размерах компонента.

Даже если вы не можете использовать МЭМС-устройство, помните, что вы можете использовать хитрость Menlo Micro и коммутировать обычное реле с помощью полевого транзистора, биполярного транзистора или симистора. Вы получаете те же преимущества – отсутствие искрения, – поскольку, когда вы размыкаете контакты, активное устройство принимает на себя нагрузку. Вы должны получить срок службы реле, приближающийся к сроку службы без нагрузки. Используя активное устройство перед замыканием контактов, вы также можете увеличить срок службы контактов, поскольку контакты не будут пропускать ток, пока продолжается их дребезг.

Это реле сгорело внутри чайника Cuisinart. Верх удален для просмотра внутренних повреждений, которые были обширными. Негерметичные реле во влажных условиях могут быть источником проблем.
Рисунок 6. Это реле сгорело внутри чайника Cuisinart. Верх удален для
просмотра внутренних повреждений, которые были обширными.
Негерметичные реле во влажных условиях могут быть источником
проблем.

Если вам требуется долговечность – не забывайте о герконовых реле. Созданные для телефонной индустрии десятилетия назад, они могут обеспечить очень долгий срок службы и такую же герметичность, как и МЭМС реле. При наличии почти дюжины производителей, вы всегда можете найти деталь, которая вам подходит. Я стал поклонником герметичных реле после того, как обычное загорелось в моем электрическом чайнике (Рисунок 6).

Ссылки

  1. MEMS Power Relay for High-Power AC/DC Applications.
  2. The Fundamentals of Analog Devices’ Revolutionary MEMS Switch Technology.

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: MEMS Relays Push Power Limits

Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя