固态继电器电路及具有其的电子设备的制作方法

1.本实用新型涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种固态继电器电路及具有其的电子设备。


背景技术：

2.本领域通常采用光发光二极管与光电二极管配合，替代传统继电器的吸合与断开，从而构成一种无机械磨损，导通快速的固态继电器，但此种固态继电器存在温度误差大、光衰影响大的问题。
3.现有技术中提供一种固态继电器电路，将上述发光二极管和光电二极管的配合结构替换为变压器，并通过向该变压器输入pwm(pulse width modulation，脉冲宽度调制)波形的方式实现导通和关断，但此种实施方式同样对输入的调制波形有较高要求，不仅该波形占空比要与预期导通关断的频率一致，并且要严格控制幅值，过低会无法驱动后端器件，过高则会导致器件损坏。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的之一在于提供一种固态继电器电路，以解决现有技术中固态继电器电路无法正确模拟固态继电器功能和信号传输过程，且工作环境要求高，受外界干扰影响大的技术问题。
5.本实用新型的目的之一在于提供一种具有所述固态继电器电路的电子设备。
6.为实现上述实用新型目的之一，本实用新型一实施方式提供一种固态继电器电路，包括：电流输入端、钳位电路、振荡发生电路、变压器、整流电路、快速释放电路以及输出电路，所述电流输入端至所述变压器的原边之间，依次并联有所述钳位电路和所述振荡发生电路，所述整流电路、所述快速释放电路和所述输出电路依次连接至所述变压器的副边。
7.作为本实用新型一实施方式的进一步改进，所述钳位电路用于接收所述电流输入端的电流，并对输出至后端的电压进行钳位，所述振荡发生电路用于接收来自所述钳位电路的钳位电压，对应生成矩形脉冲电压输出至所述变压器的原边。
8.作为本实用新型一实施方式的进一步改进，所述钳位电路包括第一场效应管、第一三极管和上拉电阻；所述上拉电阻一端连接所述电流输入端的负极，另一端连接所述第一场效应管的栅极和所述第一三极管的基极；所述第一场效应管配置为p沟道场效应管，且源极连接所述电流输入端的正极、栅极和漏极连接所述第一三极管的基极；所述第一三极管配置为npn型三极管，且集电极连接所述电流输入端的正极、发射极连接所述电流输入端的负极。
9.作为本实用新型一实施方式的进一步改进，所述钳位电路还包括第二场效应管，所述第二场效应管配置为p沟道场效应管，且源极和栅极连接所述电流输入端的正极、漏极连接所述电流输入端的负极；所述钳位电路还包括第一二极管和第二二极管，所述第一二极管的正极连接所述电流输入端的正极，所述第一二极管的负极连接所述第一场效应管的
源极、所述第二场效应管的栅极和源极，所述第二二极管的正极连接所述电流输入端的负极，所述第二二极管的负极连接所述第一二极管的负极。
10.作为本实用新型一实施方式的进一步改进，所述振荡发生电路包括时钟生成器、反相器和桥式驱动电路；其中所述时钟生成器包括通过第一电容接地的信号输入端，以及连接所述反相器的输入端、所述桥式驱动电路的输入端和所述第一电容的振荡输出端；所述反相器的输出端与所述桥式驱动电路连接；所述桥式驱动电路配置为全桥驱动电路。
11.作为本实用新型一实施方式的进一步改进，所述桥式驱动电路包括第三场效应管、第四场效应管、第五场效应管、第六场效应管、第一脉冲输出端和第二脉冲输出端；所述第三场效应管配置为p沟道场效应管，且栅极连接所述振荡输出端、源极连接所述第四场效应管的源极、漏极连接所述第一脉冲输出端；所述第四场效应管配置为p沟道场效应管，且栅极连接所述反相器的输出端、漏极连接所述第二脉冲输出端；所述第五场效应管配置为n沟道场效应管，且栅极连接所述反相器的输出端、源极连接所述第六场效应管的源极，漏极连接所述第一脉冲输出端；所述第六场效应管配置为n沟道场效应管，且栅极连接所述振荡输出端，漏极连接所述第二脉冲输出端。
12.作为本实用新型一实施方式的进一步改进，所述快速释放电路包括上级输出端和下级输出端，所述输出电路包括第七场效应管和第八场效应管，所述第七场效应管和所述第八场效应管配置为n沟道场效应管，且源极相互连接后接入所述下级输出端、栅极相互连接后接入所述上级输出端；所述快速释放电路还包括上级输入端、下级输入端、第一放电电阻、第二放电电阻、第二三极管和第三二极管；所述第一放电电阻两端分别连接所述上级输入端和所述下级输入端；所述第二放电电阻一端连接所述第二三极管的集电极，另一端连接所述下级输出端和所述下级输入端；所述第三二极管的正极连接所述上级输入端，所述第三二极管的负极连接所述上级输出端；所述第二三极管配置为pnp型三极管，且发射极连接所述第三二极管的负极、基极连接所述第三二极管的正极；所述快速释放电路还包括第三三极管，所述第三三极管配置为npn型三极管，且发射极连接所述下级输入端、集电极连接所述第二三极管的基极、基极连接所述第二三极管的集电极。
13.作为本实用新型一实施方式的进一步改进，所述固态继电器电路还包括第一基板和第二基板，所述振荡发生电路设置于所述第一基板，所述变压器的原边和所述变压器的副边分别形成于所述第二基板，且所述变压器的原边和所述变压器的副边之间设置有隔离层。
14.作为本实用新型一实施方式的进一步改进，所述固态继电器电路还包括副变压器，所述副变压器的原边和副边分别形成于所述第一基板，且所述副变压器的原边和所述副变压器的副边之间设置有隔离层；所述振荡发生电路通过所述副变压器连接至所述变压器的原边。
15.为实现上述实用新型目的之一，本实用新型一实施方式提供一种固态继电器，包括上述任一种技术方案所述的固态继电器电路。
16.与现有技术相比，本实用新型提供的固态继电器电路，通过在变压器前端设置钳位电路和振荡发生电路，能够有效控制输出至变压器及后端的能量大小，启动过程仅需与通用固态继电器一致地通入一般电流即可，无需输入复杂的调制波形，如此能够在正确模拟和实现通用固态继电器功能和有益效果的同时，避免了光衰和温漂对电路工作的影响，
并进一步提高了能量传输效率。
附图说明
17.图1是本实用新型一实施方式中固态继电器电路的结构原理图；
18.图2是本实用新型一实施方式中设置于基板上的固态继电器电路的结构原理图；
19.图3是本实用新型一实施方式中基板和固态继电器电路部分器件的结构原理图；
20.图4是本实用新型另一实施方式中基板和固态继电器电路部分器件的结构原理图；
21.图5是本实用新型一实施方式中固态继电器电路的钳位电路的结构示意图；
22.图6是本实用新型一实施方式中固态继电器电路的振荡发生电路的结构示意图；
23.图7是本实用新型一实施方式中固态继电器电路的振荡发生电路的相关信号波形图；
24.图8是本实用新型一实施方式中固态继电器电路的快速释放电路和输出电路的配合结构示意图。
具体实施方式
25.以下将结合附图所示的具体实施方式对本实用新型进行详细描述。但这些实施方式并不限制本实用新型，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本实用新型的保护范围内。
26.需要说明的是，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”、“第六”、“第七”、“第八”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
27.固态继电器(ssr，solid state relay)的作用在于提供一种无触点开关，以替代通过触点动作实现开关的传统继电器，封装后可以设置于电子设备中实现传统继电器的开闭功能。固态继电器中搭载的固态继电器电路，通常采用能够形成光电耦合、传递脉冲以及隔离的半导体器件实现，例如可以采用发光器件和与其相配合的光电器件实现，但此种方案会导致开关速度慢、能量传输效率低和光衰、功耗大等缺陷，尤其在设置于高灵敏度和高精度要求的装置中，容易导致异常工况的频繁发生。同时，基于上述开关原理的固有限制，对应的电路结构难以配置的足够小，也即难以实现芯片级。
28.本实用新型一实施方式提供一种电子设备，包括特殊配置的固态继电器电路，足以实现小型化至芯片级、开关速度快、能量传输效率高等技术效果，同时所述固态继电器电路的开闭过程，并未采用光导通的方式，具有温度误差低、不受光衰影响的技术效果。
29.本实用新型并不限制所述电子设备的类型，以及除所述固态继电器电路以外的其他结构。具体地，所述电子设备可以是简单的固态继电器，包括相互气密式密封的罩壳和底座以及输入输出组件等，进一步地，所述输入输出组件可以包括电路板、铜芯铁镍钴玻封合金引入引出端等。所述电子设备也可以是计算机及相关设备，所述固态继电器电路可以应用于所述计算机的外围接口装置。所述电子设备还可以是数控机床、遥感系统、灯光控制系
统中，需要实现电路规律导通关断的各种设备。
30.如图1所示，本实用新型一实施方式中提供一种上述固态继电器电路，包括：电流输入端1、钳位电路2、振荡发生电路3、变压器4、整流电路5、快速释放电路6以及输出电路7。其中，电流输入端1至变压器4的原边41之间，依次并联设置有钳位电路2和振荡发生电路3，整流电路5、快速释放电路6和输出电路7依次连接至变压器4的副边42。如此，钳位电路2对振荡发生电路6产生的脉冲波形进行电压钳位，使振荡发生电路3产生的、用于驱动变压器4的电能保持在合适的范围内，同时使操作过程中无需向电流输入端1稳定输入调制波形来实现技术效果，能够实现单纯向电流输入端1供电来完整模拟现有固态继电器(及其电路)的功能和动作。此外，快速释放电路6的设置能够在电流输入端1电能断开后，实现输出电路7电流的快速泄放。
31.对于用于承载上述元器件的结构，在本实施方式中，如图1和图2所示，固态继电器电路还包括第一基板81和第二基板82，至少振荡发生电路3设置于第一基板81，且变压器4设置于第二基板82。如此，能够形成振荡发生电路3与变压器4及其后端元器件的天然隔离，进一步缩小用于承载部分元器件的基板的体积，实现轻量化、小型化，防止对单片基板电压承载能力要求过高，扩大了本实用新型的适用范围。优选地，在实操过程中，第一基板81和第二基板82可以配置为裸片(die)，所述裸片定义为加工厂(foundry)生产出来的、晶圆经过切割测试后没有经过封装的芯片，所述裸片上包含用于封装的压焊点(pad)，至少变压器4的原边41和变压器4的副边42通过所述压焊点形成于所述裸片上。
32.具体地，结合图2和图3所示，变压器4的原边41和变压器4的副边42分别形成于第二基板82，在一种实施方式中，用于与第一基板81上元器件连接的变压器4的原边41配置为形成于第二基板82的外表面，优选上表面；用于与第二基板82上其他元器件连接的变压器4的副边42配置为形成于第二基板82厚度延伸方向的中间位置。进一步地，变压器4的原边41和变压器4的副边42之间设置有隔离层(具体可以为图中所述第二隔离层820)，形成两侧的隔离，变压器4的原边41和变压器4的副边42配置为线圈绕组，如此形成变压器4，并实现将该变压器4集成于芯片上的技术效果，且能够充分利用基板上的空间。
33.优选地，振荡发生电路3还包括第一脉冲输出端331和第二脉冲输出端332，变压器4的原边41通过第一脉冲输出端331和第二脉冲输出端332连接至振荡发生电路3，优选采用打线(wire bonding)连接进行能量传输。当然，在振荡发生电路3具有其他特殊配置时，第一脉冲输出端331和第二脉冲输出端332当然可以替换为其他形式的、用以输出能量的输出端，同样能够达到预期技术效果。
34.在本实用新型的另一种实施方式中，如图2和图4所示，固态继电器电路还包括副变压器9，用以与变压器4级联从而提升电路整体隔离耐压能力，同时由于变压器的冗余配置，还能够实现在其中一个变压器发生故障时，通过另一个变压器实现相近的电路功能，保证电路的正常工作。
35.具体地，副变压器9的原边91和副变压器的9的副边92分别形成于第一基板81，且副变压器9的原边91和副变压器9的副边92之间设置有隔离层(具体可以为图中所示第一隔离层810)。如此，副变压器9的原边91、副变压器9的副边92以及第一隔离层810共同形成副变压器9，从而等效增加了隔离层整体的厚度，进一步提高了隔离耐压，第一基板81只需承受副变压器9的原边91与副变压器9的副边92之间的压差，且第二基板82只需承受变压器4
的原边41与变压器4的副边42之间的压差即可，极大减小了对基板耐压能力的要求，以及损耗程度。
36.优选地，用于与第二基板82上元器件连接，尤其是与变压器4的原边41连接的副变压器9的副边92，配置为形成于第一基板81的外表面，优选上表面；用于与第一基板81上其他元器件连接的，特别是可以与上述第一脉冲输出端331和第二脉冲输出端332连接的副变压器9的原边91，配置为形成于第一基板81厚度延伸方向的中间位置。如此，振荡发生电路3通过副变压器9连接至变压器4的原边。
37.值得注意地，上述第一隔离层810和上述第二隔离层820可以配置为相同厚度、延伸面积和材质，也可以将上述任一指标配置为互为不同，足以实现本实用新型预期技术效果即可。
38.下面将进一步针对固态继电器电路中具体元器件的结构及其功能进行说明，值得注意地，下文中提及的结构并非本实用新型的唯一选择，钳位电路2、振荡发生电路3、变压器4、整流器5、快速释放电路6和输出电路7的结构可以根据本领域技术人员的需要进行调整，内部电子元器件也可以根据需要进行增加或删减。此外，在不影响电路整体动作和基本功能的前提下，上述部分整体也可以进行删减或顺序上的调整。
39.具体地，钳位电路2用于接收电流输入端1的电流，并对输出至后端的电压进行钳位，振荡发生电路3用于接收来自钳位电路2的钳位电压，对应生成矩形脉冲电压输出至变压器4的原边41。如此，可以稳定向后端输出的电压情况，保证电压始终在一个足以驱动变压器4但不至于过高而损坏后端电路结构的范围，同时矩形脉冲结构更为整齐，能够保证变压器4足以稳定得被驱动。当然，在设置有副变压器9的实施方式中，振荡发生电路3也可以将所述矩形脉冲输出给副变压器9，并通过副变压器9传输给变压器4，具体连接情况为本领域技术人员所知，下文不再赘述。
40.优选地，如图5所示，钳位电路2包括第一场效应管21、第一三极管22和上拉电阻23。其中，上拉电阻23的一端连接电流输入端的负极1b，上拉电阻23的另一端连接第一场效应管21的栅极和第一三极管22的基极。第一场效应管21配置为p沟道场效应管，第一场效应管21的源极连接电流输入端的正极1a，第一场效应管21的栅极和漏极相接后连接至第一三极管22的基极。第一三极管22配置为npn型三极管，第一三极管22的集电极连接电流输入端的正极1a，第一三极管22的发射极连接电流输入端的负极1b。如此，在第一电流输入端1输入电流时，第一场效应管21的栅极加反向电压导通，上拉电阻23受电并将第一三极管22的基极电平拉高，第一三极管22导通。由于第一场效应管21的栅极和第一三极管22的基极相互连接，对后端产生的钳位电压vclamp与第一场效应管21的栅极相对于源极的电压vgs1、第一三极管22基极与发射极之间电压vbe1满足：
41.vclamp＝vgs1 vbe1；
42.如此，可以形成对后端电路的电压钳位，并可以通过调节第一场效应管21和第一三极管22的性质改变钳位电压vclamp的数值。
43.进一步地，钳位电路2还包括第二场效应管24，第二场效应管24配置为p沟道场效应管，第二场效应管24的源极和栅极连接电流输入端的正极1a，第二场效应管24的漏极连接电流输入端的负极1b，优选地，第二场效应管24的栅极和源极之间还可以设置有下拉电阻。如此，在电流输入过大时，多余电能可以通过第二场效应管24进行分流，下拉电阻除了
可以实现调控第二场效应管24导通的功能以外，由于其被串联在第二场效应管24的栅极和源极之间，因而还具有提供偏置电压和泄放电能保护栅极和源极的功能。
44.钳位电路2还可以包括第一二极管251和第二二极管252，其中第一二极管251的正极连接电流输入端的正极1a，第一二极管251的负极连接第一场效应管21的源极、第二场效应管24的栅极和第二场效应管24的源极。第二二极管252的正极连接电流输入端的负极1b，第二二极管252的负极连接第一二极管251的负极。从而，第一二极管251提供电流的单向导通，第二二极管252用于在电流输入端的负极1b的电压高于电流输入端的正极1a的电压时，保护电路并使第一二极管251截止，电路得以无反向电流。
45.如图6和图7所示，振荡发生电路3具体可以包括时钟生成器31、反相器32和桥式驱动电路31。其中，时钟生成器31(可以是多谐波振荡器)包括信号输入端311和振荡输出端312，信号输入端311通过第一电容310接地，振荡输出端312连接反相器32的输入端、桥式驱动电路31的输入端和第一电容310未接地的一侧。优选地，振荡输出端312和第一电容310之间还可以设置保护电阻。
46.基于此，信号输入端311以第一电容310的电压为输入信号in，振荡输出端312输出的振荡信号out1重新接入第一电容310处，输出高电平时给第一电容310充电使输入信号in的电平达到vth，输出低电平时给第一电容310放电使输入信号in的电平降低至vtl，如此实现自激振荡，无需外加触发信号即可产生占空比为设定值(优选为50％)的矩形脉冲(或称方波)。
47.进一步地，反相器32的输出端与桥式驱动电路33连接，桥式驱动电路33进一步可以配置为全桥驱动电路，从而接收前端输出的差分信号，产生驱动效果更好、内容更完整的脉冲信号out2，并通过第一脉冲输出端331和第二脉冲输出端332输出给后级。
48.桥式驱动电路33在一种实施方式中，除了包括前文所述的第一脉冲输出端331和第二脉冲输出端332以外，还可以包括第三场效应管333、第四场效应管334、第五场效应管335和第六场效应管336。其中，第三场效应管333配置为p沟道场效应管，第三场效应管333的栅极连接振荡输出端312，第三场效应管333的源极连接第四场效应管334的源极，第三场效应管333的漏极连接第一脉冲输出端331。第四场效应管334配置为p沟道场效应管，第四场效应管334的栅极连接反相器32的输出端，第四场效应管334的漏极连接第二脉冲输出端332。第五场效应管335配置为n沟道场效应管，第五场效应管335的栅极连接反相器32的输出端，第五场效应管335的源极连接第六场效应管336的源极，第五场效应管335的漏极连接第一脉冲输出端331。第六场效应管336配置为n沟道场效应管，第六场效应管336的栅极连接振荡输出端312，漏极连接第二脉冲输出端332。进一步地，第一脉冲输出端331和第二脉冲输出端332的电压差形成脉冲信号out2，加在变压器4的两端形成驱动。
49.继续地，变压器4和整流电路5的内部结构可以根据本领域技术人员需要进行配置。变压器4可以是变压器4的原边41和变压器4的副边42配置为互为同名端或异名端。整流电路5可以是由单个二极管和电阻(若需要)组成的半波整流电路，由两个二极管和电阻(若需要)组成的全波整流电路，由四个二极管和电阻(若需要)组成的桥式整流电路，或其他足以实现整流功能的电路。
50.如图8所示，本实施方式中提供的快速释放电路6可以包括上级输出端611和下级输出端612，输出电路7可以包括第七场效应管71和第八场效应管72。其中，第七场效应管71
和第八场效应管72配置为n沟道场效应管，且第七场效应管71和第八场效应管72的源极相互连接后接入下级输出端612，第七场效应管71和第八场效应管72的栅极相互连接后接入上级输出端611。如此，在导通状态下，上级输出端611输出高电平、下级输出端612输出低电平，第七场效应管71和第八场效应管72导通以传输电能。
51.在一种实施方式中，快速释放电路6还包括上级输入端601、下级输入端602、第一放电电阻621、第二放电电阻622、第二三极管631和第三二极管64。其中，第一放电电阻621两端分别连接上级输入端601和下级输入端602。第二放电电阻622的一端连接第二三极管631的集电极，第二放电电阻622的另一端连接下级输出端612和下级输入端602。第三二极管64的正极连接上级输入端601，第三二极管64的负极连接上级输出端611。第二三极管631配置为pnp型三极管，第二三极管631的发射极连接第三二极管64的负极，第二三极管631的基极连接第三二极管64的正极。
52.如此，在正常导通状态下，第三二极管64单向导通，第七场效应管71和第八场效应管72栅极高电平触发导通，第二三极管631基极接高电平截止。在前端无电流输入的状态下，上级输入端601失电，第一放电电阻621两端电压迅速下降，第三二极管64的正极电压的下降速度较第三二极管64的负极电压下降速度更快，因而第二三极管631基极加反向偏置，第二三极管631导通，第七场效应管71和第八场效应管72通过自身栅极向第二放电电阻622放电，从而实现关断过程的快速放电。
53.进一步地，快速释放电路6还可以包括第三三极管632，其中第三三极管632配置为npn型三极管，第三三极管632的发射极连接下级输入端602，第三三极管632的集电极连接第二三极管631的基极，第三三极管632的基极连接第二三极管631的集电极。如此，在正常导通状态下，第二放电电阻622不受电，第三三极管632截止，在前端无电流输入的状态下，第二放电电阻622受电，第三三极管632基极得电触发导通，进而加快电能泄放速度。
54.综上所述，本实用新型提供的固态继电器电路，通过在变压器4前端设置钳位电路2和振荡发生电路3，能够有效控制输出至变压器4及后端的能量大小，启动过程仅需与通用固态继电器一致地通入一般电流即可，无需输入复杂的调制波形，如此能够在正确模拟和实现通用固态继电器功能和有益效果的同时，避免了光衰和温漂对电路工作的影响，并进一步提高了能量传输效率。
55.应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
56.上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本实用新型的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本实用新型的保护范围，凡未脱离本实用新型技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本实用新型的保护范围之内。