锁存型 SSR 简化了恒温器、HVAC、安防及报警面板的触点开关设计

恒温器、暖通空调系统、火灾报警面板、安防系统、楼宇自动化和工业控制器等常见应用，都需要一个简单的信号来控制相邻受监控电路中的 AC 或 DC 电源通断。虽然机电继电器 (EMR) 传统上一直支持这些应用，但许多设计越来越需要更小的外形尺寸、更优的长期可靠性、更强的可配置性、功能性以及更低的总体噪音。采用小型集成电路封装的固态继电器 (SSR) 可完全满足这些需求。

本文探讨在各种两线制和三线制应用中使用继电器切换电源所面临的难题。然后介绍 Littelfuse 的锁存 SSR，并说明如何利用这种继电器来解决这些难题。

首先了解一个看似简单的问题

有经验的设计人员都知道，在技术解决方案、材料清单 (BOM)、印刷电路板 (PC) 空间、成本以及用户体验方面，这往往是最难解决的基本问题。例如，将家庭和其他环境中用于经典双线布置的已安装线路改造为触发加热系统。这在 HVAC 行业被称为供热呼叫“。

从历史上看，恒温器控制供暖等系统的设计和实施都非常简单。恒温器，如经典的 T-86（图 1），只需在检测到的温度低于设定值时闭合开关（金属或水银浸湿）。自 1953 年问世以来，这类器件已售出数千万套，且其中许多至今仍在使用，这足以证明其使用寿命之长。

图 1：所示为经典的双线 T-86 恒温器。(图片来源：Cooper-Hewitt Museum）

这种触点闭合称为“干”触点，允许 AC 线路经降压后的 24 V_AC 向电磁阀线圈供电，然后启动锅炉或其他热源。恒温器完全是被动运行的，既不需要电源，也不会提供电源。继电器还在 24 V_AC 恒温器控制回路和为加热系统供电的 AC 线路之间作为隔离器件。自动调温器简单、可靠，易于排除故障。

随着具有数字设定点设置和温度读数功能的恒温器的出现，这种存在已久的布局发生了变化（图 2，左）。随后，很快出现了可由用户控制具体日期和时间设置的智能恒温器，然后是增加了互联功能和更复杂的物联网 (IoT) 设备（图 2，右）。恒温器从被动式转型到主动式，提出了一个全新的、不可预见的要求：电源。由于老式无源恒温器只有两根电线，因此无法轻松提供所需的电源。

图 2：传统的开关闭合回路无法为基本的数字恒温器（左）或连接的物联网版本（右）供电，这就提出了如何为这些负载供电的问题。(图片来源：PRO1iaq、Ecobee）

这种电源问题并非传统恒温器和 HVAC 系统所独有，它还出现在安防系统、楼宇自动化、工业控制、计量应用以及任何通过简单的开关闭合来指示设备“启动”的应用。

目前，有两种供电方案可以解决这一难题，但各有缺点。其一是在恒温器中使用可更换电池，这对于住宅和工业环境来说都很不方便。另一种方法是增加第三根导线，为恒温器提供 24 V_AC。该导线称为“公共” (C) 线。

在许多实际环境中，从恒温器到供暖系统之间增加一根新电线是一项挑战，会涉及到电线的铺设和穿管、墙壁上凿洞以及在墙壁空腔中安装防火挡板。

SSR 解决了电池和 C 线难题

幸运的是，我们有一个解决方案。CPC1601M（图 3）是一款 SSR，旨在消除两线制系统的局限性。

图 3：所示为由负载供电的 CPC1601M 非隔离、1-Form-A 固态锁存继电器。(图片来源：Littelfuse）

CPC1601M 是一款非隔离、1-Form-A 固态锁存继电器，工作电流低，采用 3 mm × 3 mm DFN 微型封装，带有 8 个触点。该 IC 包括一个 SET 输入，用于接通继电器；一个 RESET 引脚，被施加脉冲时可断开继电器；以及一个 TOGGLE 输入，用于交替闭合和断开继电器。

CPC1601M 继电器 IC 具有两种电源模式，通过监控其 HV_cc 输入引脚，可以从开路负载或系统电源获得所需的工作电源，这是一项重要的创新功能。

负载供电时运行模式适用于 AC 电源，例如次级侧电压为 24 V_AC 的变压器。当负载供电时，继电器不由系统电源供电，因此能延长电池寿命。继电器定期断开，以便从开路负载电压中“获取”电源。在大多数应用中，这种短暂的中断不会影响系统运行。在负载供电模式下不需要辅助电源，因此不需要恒温器 C 引线。

在典型的 HVAC 系统中，恒温器驱动一个接触器继电器 (K1)。该接触器通常是控制 HVAC 负载的大电流 EMR 电磁继电器。继电器 K1 通过闭合和断开 CPC1601M 继电器来实现控制。

当 CPC1601M 处于断开模式时，变压器 T1 的全开路电压会施加在负载的输出引脚 （RLY1 和 RLY2）上。该 AC 电压由内部 DMOS 体二极管（D1 和 D2）和外部二极管（D3 和 D4）整流，形成全波整流器。整流输出随后被送入滤波电容器 (_CFILT)，在负载供电模式下工作时，滤波电容器充当储能电容器。

CPC1601M 还增加了另一项与电源相关的功能：提供电压输出，向相关的微控制器单元 (MCU) 和外部电路供电。此外，如果该输出电压在用户所选 MCU 的电压轨范围内，则可能不需要单独的低压差稳压器 (LDO)。为了保护开关输出在切换电感负载时不受反向瞬态影响（这是这些应用中实际遇到的），在 RLY1 和 RLY2 之间连接一个瞬态电压抑制器 (TVS) 二极管。

在系统电源工作模式下（图 4），CPC1601M 所需电力来自电源而非负载。在典型的恒温器应用中，电源是电池。CPC1601M 的功耗极低，因此非常适合那些尤其需要延长电池寿命的应用。

图 4：CPC1601M 也可配置为通过系统电源工作。(图片来源：Littelfuse）

在这种布局中，CPC1601M 的 V_CCIN/P_OUT 引脚连接系统电池，而 HV_CC 引脚保持开路。在这里，CPC1601M 用作一个简单的锁存继电器，可通过 SET 和 RESET 或 TOGGLE 模式对其控制。

如何实现隔离？

虽然目前所展示的 CPC1601M 基础电路不含电隔离功能，但有时仍需要电隔离以确保系统正常运行，例如在双变压器 HVAC 系统中，这两个变压器的回线是相互独立且彼此隔离的。实现隔离的方法有很多种，但每种方法都有自己的利弊。

利用脉宽调制 (PWM) 信号的简单电容耦合（图 5），CPC1601M 可以轻松实现隔离，而且成本低廉。系统 MCU 产生多周期 PWM 信号，该信号通过一个隔离电容器 (C1) 进行电容耦合。该 PWM 信号的频率通常为 200 千赫兹 (kHz)，占空比为 50% 方波，通过 R2 和 C2 进行滤波。这将产生一个 DC 信号，触发 CPC1601M 的 SET 输入。

图 5：在 CPC1601M 电路中添加一个电容器和几个无源元件，即可实现电隔离。（图片来源：Littelfuse）

关键电气规格的比较

提供高效的功能固然重要，但合格器件还必须能提供系统所需的电压、电流和其他额定值、属性。为此，CPC1601M 具有以下功能：

• 电源输入电压为 3 V 至 5.5 V
• 系统供电模式下的待机电流小于 1 µA
• 典型“导通”电阻低至 308 毫欧 (mΩ)
• 兼容 TTL/CMOS 输入
• 双向、负载连接式 RLY1 和 RLY2 触点可用于 60 V_peak AC 或 DC 运行
• RLY1 和 RLY2 触点支持 2 A（AC 或 DC）连续负载能力
• 具备负载取电功能的电源引脚，可为外部电路供电，功率达 10 mW
• 施加 SET 或 TOGGLE 脉冲后的导通时间为 1 µs（最大值）；RESET 或 TOGGLE 脉冲后的互补关断时间也为 1 µs（最大值）。
• 在供电模式下的零电流开关特性可降低电磁干扰 (EMI)。
• 无 EMR 的机械触点咔嗒声，静音运行。

结语

对传统无源恒温器控制回路中所用的干触点开关闭合配置进行升级改造，使其可通过本地电池或第三根电线为有源恒温器供电，原理上简单，但实际会面临很大困难。Littelfuse CPC1601M 等 SSR 可解决这些问题，并提供其他有用的功能，以提高系统性能和一致性。