一种高装配密度电压输入型光隔离开关的制作方法

本发明涉及固体继电器，具体涉及一种高装配密度电压输入型光隔离开关。

背景技术：

1、光隔离开关是一种输入与输出之间采用光电方式进行隔离的开关器件，每路具有两个输入引出线和两个输出引出线，输出为无触点开关，且输入输出之间无电磁干扰，因此在工业控制、通信设备、医疗器械、航空航天等领域得到广泛应用。现有的光隔离固体继电器或光隔离开关器件，普遍存在功率密度较小的问题，要么开关体积较大、要么输出电流较小，且输入控制方式主要为电流驱动型，需要外接限流电阻来调节输入电流，导致电路设计复杂、功耗较高，不能满足现代电子设备对小型化、高集成度和便捷设计的需求。如cn119921745a公开了一种光隔离固体继电器，包括输入延时电路、输入泄放电路、隔离模块、输出延时电路、输出抗干扰电路及mos管。该继电器采用了复杂的输入延时和泄放电路来提高可靠性，但其输入控制方式仍为电流驱动型，需要外接限流电阻，且内部电路结构复杂，导致器件体积较大，不利于高密度集成。如cn201911057832公开了一种快速开关光隔离固体继电器，包括设置在基板上的输入电路和设置在基座上的输出电路，输入电路采用两个发光二极管对光伏二极管阵列进行光照。该继电器虽然提高了转换速率和开通速度，但其输入电路仍需要外接限流电阻，且基板和基座为分离结构，不利于器件整体的小型化，功率密度较低。因此，急需设计一种高装配密度电压输入型的光隔离开关，实现电压直接驱动、减小体积、提高功率密度。

技术实现思路

1、本发明的目的是：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种高装配密度电压输入型光隔离开关，通过优化输入电路结构实现电压直接驱动，通过创新的管壳叠层结构设计提高装配密度和功率密度，解决现有技术中光隔离开关输入控制复杂、体积大、功率密度低的技术问题。

2、本发明的技术方案：

3、一种高装配密度电压输入型光隔离开关，包括包括管壳、输入电路和输出电路。

4、输入电路包括发光二极管d1、电阻r1和电阻r2，输入电源正端经电阻r1连接发光二极管d1的阳极和电阻r2的一端，输入电源负端连接发光二极管d1的阴极和电阻r2的另一端。电阻r1串联于输入电源与发光二极管d1之间的支路中，利用电阻r1的限流作用，将输入电压转换为适当的驱动电流流过发光二极管d1，使得开关的输入端可以直接施加电压信号而无需外接限流电阻；同时电阻r2并联于发光二极管d1的两端，形成分流支路，当输入端出现瞬时干扰电压时，电阻r2可吸收部分干扰电流，防止发光二极管d1因过流而损坏，从而提升产品的抗干扰能力和可靠性。通过r1与r2的协同作用，实现了电压输入型驱动方式，简化了外部电路设计。

5、所述输出电路包括光伏二极管e1和场效应管；所述光伏二极管e1的正极连接所述场效应管的栅极，负极连接所述场效应管的源极。当发光二极管d1发光照射到光伏二极管e1时，光伏二极管e1基于光伏效应产生光生电压，该电压施加于场效应管的栅极与源极之间，形成栅源驱动电压，控制场效应管的导通与关断。当所述场效应管的数量为一个时，该场效应管的漏极和源极构成所述输出电路的输出端，形成单向开关结构，输出电流只能单向流动，适用于直流负载控制场合；当所述场效应管的数量为两个时，两个场效应管分别为v1和v2，所述光伏二极管e1的正极分别连接场效应管v1和场效应管v2的栅极，所述光伏二极管e1的负极分别连接场效应管v1和场效应管v2的源极，场效应管v1的漏极和场效应管v2的漏极分别构成所述输出电路的两侧输出端，形成双向开关结构，两个场效应管反向串联，使得输出电流可以双向流动，适用于交流负载控制场合。通过单场效应管和双场效应管两种配置方式，实现了单向和双向开关功能的灵活适配。

6、所述管壳包括盖板、基片和管座，所述管座两侧设有输入引线和输出引线；所述发光二极管d1贴装于所述管座上，所述光伏二极管e1贴装于所述基片上，且光伏二极管e1位于发光二极管d1的正上方。采用盖板、基片和管座三层叠层结构，光伏二极管e1贴装于基片上，发光二极管d1贴装于管座上，且光伏二极管e1位于发光二极管d1的正上方，这种垂直叠放结构使得发光二极管d1发出的光可以直接向上照射到光伏二极管e1，光路短、光损小，提高了光电转换效率；同时，将光伏二极管e1设置在基片上、发光二极管d1设置在管座上，与传统安装方式相反，使得光伏二极管e1的输出可以通过基片上的键合丝方便地与场效应管芯片进行电连接，而发光二极管d1通过键合丝及管座的内嵌金属与输入引线进行电连接，输出侧的场效应管通过键合丝及管座的内嵌金属与输出引线进行电连接，三路电连接路径互不交叉，降低了电连接短路的风险，提高了光隔离开关的可靠性。

7、所述管座上设有高低叠层及腔体隔离墙，并设有至少两个场效应管贴装区域。管座上的高低叠层结构通过不同高度的台阶设计，将发光二极管d1的贴装区域与场效应管的贴装区域在垂直方向上错开，同时腔体隔离墙将场效应管贴装区域与发光二极管d1的贴装区进行物理隔离，一方面实现了输入侧与输出侧之间的电气隔离和光隔离，防止路与路之间的光串扰和电磁干扰，另一方面在同一管座的每一路中可以设置两个场效应管贴装区域，分别位于腔体隔离墙的两侧，使得每一路既可以装配一只场效应管形成单向开关，也可以装配两只场效应管形成双向开关，实现了单向开关和双向开关共用同一管壳的通用化设计，大幅度缩小了光隔离开关的体积，提高了光隔离开关的功率密度。

8、所述高装配密度电压输入型光隔离开关为1路开关、2路开关或4路开关，每一路的输入电路和输出电路均相同，且各路之间相互电气隔离。其技术原理在于：每一路具有独立的输入电路和输出电路，各路之间通过腔体隔离墙实现物理隔离和电气隔离，使得多路开关可以在同一管壳内集成多路独立的开关通道，每一路的输入加电可以独立控制对应输出的开或关状态，且各路之间无电气连接，避免了路间串扰，提高了集成度和使用灵活性。

9、所述管壳的封装形式为lcc封装、sop封装或dip封装。根据不同的应用场景和安装需求，可选择无引线芯片载体lcc封装、小外形sop封装或双列直插dip封装三种封装形式，lcc封装具有体积小、引脚密度高的特点，适用于高密度表面贴装应用；sop封装具有标准引脚间距、易于自动焊接的特点，适用于一般表面贴装应用；dip封装具有插装方便、易于手工焊接和更换的特点，适用于实验和原型设计场合。三种封装形式的灵活选择，使本发明的光隔离开关可以适应不同的应用需求。

10、本发明的有益效果：

11、采用电压输入型驱动方式，通过电阻的限流作用和抗干扰保护，实现了直接电压输入控制，无需外接限流电阻，简化了电路设计，降低了使用成本，提高了设计便捷性；采用盖板、基片、管座三层叠层结构，光伏二极管贴装于基片上、发光二极管贴装于管座上，且光伏二极管位于发光二极管正上方，光路短、光损小，提高了光电转换效率，同时三路电连接路径互不交叉，降低了短路风险，提高了产品可靠性。

1.一种高装配密度电压输入型光隔离开关，包括管壳、输入电路和输出电路，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的高装配密度电压输入型光隔离开关，其特征在于：所述电阻r1串联于输入电源与发光二极管d1之间的支路中，用于限制输入电流；所述电阻r2并联于发光二极管d1的两端，用于防止输入干扰。

3.根据权利要求1所述的高装配密度电压输入型光隔离开关，其特征在于：所述场效应管的数量为一个，且记为场效应管v1，所述光伏二极管e1的正极连接场效应管v1的栅极，光伏二极管e1的负极连接场效应管v1的源极，场效应管v1的漏极和源极构成单向开关的输出端。

4.根据权利要求1所述的高装配密度电压输入型光隔离开关，其特征在于：所述场效应管的数量为两个，且分别记为场效应管v1和场效应管v2；光伏二极管e1的正极分别连接场效应管v1和场效应管v2的栅极，光伏二极管e1的负极分别连接场效应管v1和场效应管v2的源极，场效应管v1的漏极和场效应管v2的漏极分别构成双向开关的两侧输出端。

5.根据权利要求1所述的高装配密度电压输入型光隔离开关，其特征在于：所述管壳内部自上而下依次为盖板（1）、基片（2）、贴装于基片（2）上的光伏二极管e1、贴装于管座（3）上的发光二极管d1、以及管座（3）。

6.根据权利要求1所述的高装配密度电压输入型光隔离开关，其特征在于：所述高装配密度电压输入型光隔离开关为1路开关、2路开关或4路开关，每一路的输入电路和输出电路均相同，且各路之间相互电气隔离。

7.根据权利要求1所述的高装配密度电压输入型光隔离开关，其特征在于：所述管壳的封装形式为lcc封装、sop封装或dip封装。

8.根据权利要求1所述的高装配密度电压输入型光隔离开关，其特征在于：所述光伏二极管e1的输出通过基片（2）上的键合丝（6）与所述场效应管芯片进行电连接；所述发光二极管d1通过键合丝及管座（3）的内嵌金属与输入引线（4）进行电连接；所述管座（3）上的场效应管通过键合丝及管座（3）的内嵌金属与输出引线（5）进行电连接。

9.根据权利要求1所述的高装配密度电压输入型光隔离开关，其特征在于：所述光隔离开关的功率密度为4000～8000w/cm3，所述功率密度定义为25℃下产品最大输出电压与最大输出电流的乘积与产品管壳体积的比值。

10.根据权利要求1所述的高装配密度电压输入型光隔离开关，其特征在于：所述管座（3）上的至少两个场效应管贴装区域分布于所述腔体隔离墙的两侧，所述腔体隔离墙将所述场效应管贴装区域与所述发光二极管d1的贴装区进行物理隔离。