閂鎖型 SSR 可簡化恆溫器、暖通空調、保全及警報面板的觸點切換設計

常見的應用如恆溫器、暖通空調系統、火警警報面板、保全系統、大樓自動化及工業控制，皆需要簡單的訊號，以在受監督的鄰近電路中控制 AC 或 DC 電力的流動。雖然電磁繼電器 (EMR) 傳統上支援這些應用，但越來越多設計需要更小的外型尺寸、更高的長期可靠性、更強的可配置能力與功能性，以及更低的整體雜訊。採用小型 IC 封裝的固態繼電器 (SSR) 就可滿足這些需求。

本文將探討在多種雙線和三線應用中使用繼電器進行電源切換的挑戰。接著會介紹 Littelfuse 的閂鎖型 SSR，並說明如何用來因應這些挑戰。

從看似簡單的問題開始

有經驗的設計人員都知道，在技術解決方案、物料清單 (BOM)、印刷電路板 (PCB) 空間、成本及使用者體驗層面，往往是最基本的問題最難解決。有個很好的例子就是將安裝好的配線用於住宅及其他環境中典型的雙線配置，以便觸發暖氣系統。這在暖通空調產業中稱為「呼叫加熱」。

在過往，恆溫器控制型暖氣等系統在設計和實作上一直都相當簡單。恆溫器，例如經典的 T-86 (圖 1)，在感測溫度低於設定點時，就會閉合一個開關 (金屬或水銀濕式)。其耐久性已獲得見證，自 1953 年推出以來，已銷售數千萬台，且有許多仍在使用中。

圖 1：經典的雙線 T-86 恆溫器。(圖片來源：Cooper-Hewitt Museum)

此觸點閉合稱為「乾式」觸點，可讓 AC 線路降壓後的 24 V_AC 用來將 EMR 線圈通電，接著啟動鍋爐或其他熱源。此恆溫器完全被動，既不需要也不供應任何電力。繼電器亦可在 24 V_AC 恆溫器控制迴路與供電給暖氣系統的 AC 線路之間提供電流隔離。在故障排除層面也相當簡易可靠。

隨著具備數位設定點調整及溫度顯示的恆溫器問世 (圖 2 左)，這種長久以來的配置有所改變。隨後的智慧型恆溫器更具備使用者可控制的日期和時間設定，接著還有添加連線功能及更高複雜度的物聯網 (IoT) 單元 (圖 2 右)。從被動式轉換到主動式恆溫器也帶來意料之外的新需求：電源。由於舊式被動恆溫器僅有兩條線，無法輕易供應所需電力。

圖 2：傳統的開關閉合迴路無法供電給基本的數位恆溫器 (左) 或連網 IoT 款式 (右)，引人思考該如何為這些負載供電。(圖片來源：PRO1iaq、Ecobee)

這個電力問題不僅出現在傳統恆溫器和 HVAC 系統中，保全系統、大樓自動化、工業控制、儀表應用，以及任何使用簡易開關閉合來表示「啟動」的場合也都有此問題。

有兩種供電解決方案可因應此困境，但各有缺點。第一種方式是在恆溫器中使用可更換電池，但這對住宅和工業環境來說都不方便。另一種方法是新拉第三條線，以提供 24 V_AC 電力給恆溫器。這條線稱為「共用線」(C 線)。

在許多實際的應用場景中，尤其是家庭，從恆溫器新拉一條線到暖氣系統並不容易，因當中涉及穿線與繞線、牆面鑽孔，以及在牆壁空腔中安裝防火填料。

SSR 可克服電池與 C 線的困境

幸好有一個解決方案可用。如圖 3 所示，CPC1601M 固態繼電器就具有針對雙線系統限制所設計的功能。

圖 3：由負載供電的 CPC1601M 非隔離式 1-Form-A 固態閂鎖繼電器。(圖片來源：Littelfuse)

CPC1601M 是一款非隔離式、1-Form-A 固態閂鎖繼電器，具備低工作電流，採用 3 mm × 3 mm 的小型 DFN 封裝，並具有八個觸點。此 IC 含有一個 SET 輸入可啟動繼電器；一個 RESET 引腳可在脈衝輸入時將繼電器關閉；以及一個 TOGGLE 輸入可輪流啟動和關閉繼電器。

CPC1601M 繼電器 IC 還有個重要的創新功能，就是具備兩種電源模式，可監測其 HV_cc 輸入引腳，就可從開路負載或從系統電源供應器取得所需的工作電力。

負載驅動的運作模式適用於 AC 電源，例如具有 24 V_AC 二次側電壓的變壓器。當負載供電時，繼電器不會從系統電源汲取電力，因此可延長電池續航力。繼電器會週期性開啟，因此可從開路負載電壓「收集」電力。在大多數應用中，這種短暫的中斷不會影響系統運作。在負載供電模式中並不需要輔助電源，因此不需要恆溫器 C 線。

在典型暖通空調系統中，恆溫器會驅動接觸器繼電器 (K1)。接觸器通常是控制 HVAC 負載的高電流 EMR。繼電器 K1 是由 CPC1601M 繼電器的啟動與關閉來控制。

當 CPC1601M 處於關閉模式時，變壓器 T1 的完整開路電壓會出現在負載的輸出引腳 (RLY1 和 RLY2) 之間。此 AC 電壓會由內部 DMOS 本體二極體 (D1 與 D2) 及外部二極體 (D3 與 D4) 進行整流，形成全波整流器。整流後的輸出接著會傳送至濾波電容 (C_FILT)，在負載供電模式中運作時，此電容可當作儲能電容。

CPC1601M 還添加另一項與電力有關的功能：提供電壓輸出，以供電給相關的微控制器單元 (MCU) 及外部電路。此外，若此輸出電壓位於使用者所選 MCU 的電壓軌範圍內，可能就不需要額外的低壓降穩壓器 (LDO)。為了保護開關的輸出，以免在切換感性負載時產生逆向暫態而受到影響 (這些應用中常見的實際情況)，會在 RLY1 和 RLY2 之間配置一個暫態電壓抑制器 (TVS) 二極體。

在系統電源模式中運作時 (圖4)，CPC1601M 的電源取自電源供應器而非負載。在典型的恆溫器應用中，電源就是電池。CPC1601M 的功耗極低，因此對於講究延長電池續航力的應用來說，是理想的選擇。

圖 4：CPC1601M 也可配置成用系統電源進行運作。(圖片來源：Littelfuse)

在此配置中，CPC1601M 的 V_CCIN/P_OUT 引腳會接至系統電池，而 HV_CC 引腳則保持開路。此時，CPC1601M 就是一個簡單的閂鎖繼電器，可透過 SET 和 RESET 來控制，或是以 TOGGLE 模式運作。

隔離怎麼處理？

儘管目前所展示的基本 CPC1601M 電路並未含有電氣隔離，但有時為了確保系統正常運作，仍需使用電氣隔離，例如在雙變壓器 HVAC 系統中，變壓器的回路就彼此分開且隔離。實作隔離的方法有很多，各有利弊。

使用 CPC1601M 並透過脈寬調變 (PWM) 訊號的簡單電容耦合 (圖 5)，就能以簡單又具成本效益的方式實作隔離。系統 MCU 會產生多次循環的 PWM 訊號，且已透過隔離電容 (C1) 進行電容耦合。此 PWM 訊號，通常為 200 kHz 搭配 50% 的工作週期方波，會經由 R2 和 C2 進行濾波。會產生一道 DC 訊號，可觸發 CPC1601M 的 SET 輸入。

圖 5：在 CPC1601M 電路中加入電容與少數被動元件就可實作電流隔離。(圖片來源：Littelfuse)

查看主要電氣規格

雖然提供有效的功能很重要，但可行的裝置也必須能提供系統所需的電壓、電流以及其他規格和特性。為此，CPC1601M 具備以下特點：

• 供應輸入電壓為 3 V 至 5.5 V
• 系統供電的待機電流小於 1 µA
• 具有 308 mΩ 的低典型「導通」電阻
• TTL/CMOS 相容的邏輯輸入
• 雙向、負載連接的 RLY1 和 RLY2 觸點，可用於 60 V_peak AC 或 DC 運作
• RLY1 和 RLY2 觸點支援連續負載能力 2 A，AC 或 DC 皆可
• 具有負載採集電力引腳，可供電給外部電路 (最高 10 mW)
• 在 SET 或 TOGGLE 脈衝後會施加啟動時間 施加 1 µs (最大)；相對地，在 RESET 或 TOGGLE 脈衝後的關閉時間也是 1 µs (最大)
• 在負載供電模式下可零電流切換，因此可降低電磁干擾 (EMI)
• 無 EMR 滴答聲，因此可達到靜音運作

結論

將乾觸點開關閉合配置，例如傳統被動式恆溫器控制迴路中使用的配置進行更新，以透過本機電池供電給主動恆溫器，從概念上來說很簡單，但在實務上具有挑戰性。像 Littelfuse CPC1601M 這類 SSR 就可解決相關問題，並提供其他實用特點，可增進系統效能與一致性。