МЭМС-реле – новые горизонты мощности

Новое МЭМС-реле MM1200 со встроенным полевым транзистором, обеспечивает высокую коммутируемую мощность, нехарактерную для традиционных маломощных МЭМС-ключей. В настоящей статье рассматривается, каким образом это стало возможно
5378
В избранное

На выставке APEC 2019 компания Menlo Micro продемонстрировала новое силовое реле, изготовленное с использованием МЭМС-технологий (MEMS). Свою историю Menlo Micro начинала как подразделение General Electric. В настоящее время компания сосредоточила свои усилия на разработке надежной и безопасной технологии силовых ключей для коммутации электропитания аппаратов МРТ и другого медицинского оборудования.

Ранее Menlo Micro уже предлагала аналогичную технологию МЭМС-коммутаторов, которые предназначались для ВЧ и других маломощных приложений. Теперь компания разработала МЭМС-реле, способное выдерживать напряжения до 150 В и коммутировать токи до 3 А (рис. 1). MM1200-6 – это МЭМС-реле, ресурс которого по заявлению Menlo Micro, достигает трех миллиардов переключений при 85 °C. MM1200-6 объединяет шесть силовых ключей, управляемых по SPI. Любой из шести ключей может коммутировать ток до 1 А, но из-за ограничений корпуса суммарный ток всех каналов не должен превышать 3 А.

МЭМС-реле MM1200 от Menlo Micro намного меньше, чем обычные реле

Рис. 1. МЭМС-реле MM1200 от Menlo Micro намного меньше, чем обычные реле

MM1200 имеет встроенный полевой транзистор, включенный параллельно с контактами МЭМС-реле. Управляющая электроника отключает этот полупроводниковый ключ только после размыкания механических контактов реле, что помогает устранить искрение при коммутациях. Аналогичным образом управляющая электроника включает транзистор еще до замыкания механических контактов реле, тем самым обеспечивая минимальное время включения 10 мкс, что намного быстрее, чем у обычных МЭМС-переключателей.

Параллельный силовой транзистор

В документации на MM1200-6 не сказано о наличии в составе реле встроенного полупроводникового силового ключа, но о его присутствии можно сделать вывод по ряду косвенных признаков. Во-первых, в документации указано номинальное напряжение переменного или постоянного тока +150 В. То есть речь идет о биполярном устройстве, которое может работать только с положительным напряжением. Для коммутации переменного тока необходимо использовать два ключа, точно так же, как и в случае с традиционными твердотельными реле, в которых как раз и используется последовательное включение двух FET-транзисторов. Кроме того, в документации указывается ток утечки 19 пА при 150 В, что характерно для FET, но отсутствует информация о температурной зависимости этого тока.

Параллельное включение FET-транзистора и механического реле является интересным решением, объединяющим достоинства обоих видов переключателей. Однако это же решение получает в наследство и некоторые недостатки, например, рекомбинацию носителей и эффект Миллера. Вы должны убедиться, что для Вашего приложения эти особенности не создадут проблем. МЭМС-реле MM1200 имеет два температурных исполнения с максимальной рабочей температурой 85 °C и 100 °C. Обратите внимание, что в случае с BGA-корпусом 27 из 49 контактов предназначены для подключения земли, что можно использовать для эффективного теплоотвода. Во включенном состоянии типовое сопротивление канала составляет 500 мОм, поэтому при максимальном токе 1 А устройство будет рассеивать в виде тепла около 500 мВт. Не стоит забывать о гибридной природе нового компонента, а также о всех связанных с этим проблемах.

Одним из преимуществ MM1200 является то, что перемещение механических подвижных контактов встроенного МЭМС-реле выполняется под воздействием электрического поля, что должно сделать данное реле более стойким к воздействию паразитных магнитных полей. В случае с традиционными электромагнитными реле сильные магнитные поля вполне могут вызвать ложные переключения, в результате чего иногда происходят аварийные ситуации, из-за которых выгорают целые стойки телекоммуникационного оборудования. С другой стороны, так как управление подвижными контактами МЭМС-реле осуществляется электрическим полем, то для работы с MM1200 потребуется дополнительный источник напряжения смещения 75 В, а также питание 5 В для логики. Потребление от источника 75 В составляет всего 100 мкА.

Обратите внимание на шум

В дополнение к проблемам, связанным с рассасыванием инжектированного заряда, затвор полевого транзистора оказывается в непосредственной близости от контактов (рис. 2). Это означает, что шум в источнике смещения 75 В может проникать на затвор транзистора и, модулируя сопротивление канала, зашумлять коммутируемый полезный сигнал. Это не должно быть серьезной проблемой для большинства приложений, однако о такой особенности следует помнить.

Замыкание контактов в МЭМС-реле осуществляется по команде, получаемой по SPI

Рис. 2. Замыкание контактов в МЭМС-реле осуществляется по команде, получаемой по SPI. Высоковольтный сигнал 75 В может наводить помехи на затворе полевого транзистора

На вопрос, заданный Крису Джованниелло, начальнику отдела разработки в Menlo Micro, помогла ли герметизация корпуса достичь требуемой длины пути тока утечки, он ответил: «Да, наше изделие герметично, и это очень важно. Мы можем коммутировать относительно высокие напряжения, 200 В или 400 В, в очень маленьком зазоре без искрения».

Относительно вопроса о ценах, он отметил, что после того, как объемы производства достигнут миллионных серий, он рассчитывает предложить клиентам стоимость менее доллара за канал, то есть в случае с MM1200 речь идет о цене 6 долларов за микросхему. Инженерные образцы доступны уже сейчас, а целевые объемы производства должны быть достигнуты в первом квартале 2020 года.

Закон Пашена

Для эффективного использования электрического поля необходимо, чтобы контакты были расположены как можно ближе друг к другу. С первого взгляда это может показаться проблемой для реле с рейтингом напряжения 150 В. Однако Джованниелло напомнил о законе Пашена, который описывает зависимость пробивного напряжения от расстояния между электродами (рис. 3). Он отметил, что, если внимательно изучить график зависимости пробивного напряжения: «Вы получите некоторые интересные подсказки, поясняющие решения, которые мы использовали. Это кажется нелогичным, но меньшие воздушные зазоры могут обеспечить более высокие пробивные напряжения».

Согласно Закону Пашена напряжение пробоя будет увеличиваться, если расстояние между двумя контактами станет меньше определенного значения

Рис. 3. Согласно Закону Пашена напряжение пробоя будет увеличиваться, если расстояние между двумя контактами станет меньше определенного значения

График зависимости пробивного напряжения показывает, что напряжение пробоя уменьшается при уменьшении зазора только до определенного предела, после которого начинает расти. Дальнейшее уменьшение зазора, фактически повышает уровень пробивного напряжения реле. Вероятно также, что для увеличения рабочего напряжения компания Menlo Micro использует вакуумирование или заполнение инертным газом.

Menlo Micro не новичок в области МЭМС-коммутаторов (рис. 4). Ранее компания успешно вывела на рынок ВЧ-переключатели, которые производились с привлечением технологии GE и Corning Glass. Эти технологии были унаследованы от General Electric. Menlo Micro использует фирменные металлические сплавы, которые наносятся на стеклянные пластины. Пластины, поставляемые Corning, имеют сквозные стеклянные переходы (TGV), которые обеспечивают высокую эффективность МЭМС-элементов.

 Компания Menlo Micro впервые использовала технологию МЭМС-реле в маломощных ВЧ-коммутаторах

Рис. 4. Компания Menlo Micro впервые использовала технологию МЭМС-реле в маломощных ВЧ-коммутаторах 

Джованниелло объясняет: «Большая часть инноваций Menlo касалась передовых материалов и технологи изготовления, используемых при производстве высоконадежных контактных выключателей. В частности, нестандартные сплавы, которые обеспечивают высокую механическую прочность в течение длительного срока службы, но также обладают высокой электропроводностью и низкими потерями. Кроме того, мы изготавливаем эти переключатели на кремнии или стекле, что позволяет получать отличные характеристики с точки зрения изоляции и ВЧ-характеристик. Это уникальная особенность, поскольку не так много МЭМС-компонентов используют стеклянные основания».

Имейте в виду, что в настоящее время проводится много исследований и разработок в области мощных МЭМС-коммутаторов. Некоторые исследователи изучают возможность использования управляющих магнитных полей, которые обеспечивают гораздо большее контактное усилие при более низких приложенных напряжениях. Другие исследователи утверждают, что достигли напряжения пробоя 1000 В для МЭМС-ключей с номинальной токовой нагрузкой 1 А. Если они смогут реализовать свои обещания в серийном производстве, то это будет означать появление действительно биполярного реле с гальванической развязкой между силовыми контактами и управляющей стороной.

Высокочастотные МЭМС-переключатели

Основная часть МЭМС-переключателей создавалась для работы в составе ВЧ-приложений, в которых не нужно коммутировать большой ток (рис. 5). Например, компания Analog Devices имеет обширную линейку МЭМС-переключателей. При создании этих переключателей использовался богатый опыт Analog Devices, полученный при производстве МЭМС-акселерометров. Особенности новой технологии подробно рассматриваются на сайте компании.

Analog Devices предлагает широкий выбор МЭМС-переключателей для радиочастотных приложений

Рис. 5. Analog Devices предлагает широкий выбор МЭМС-переключателей для радиочастотных приложений. Вывод в правом верхнем углу подчеркивает миниатюрные размеры МЭМС-компонентов

Даже если вы не можете использовать МЭМС-переключатель в своем устройстве, вы вполне можете использовать хитрость Menlo Micro и комбинировать обычное реле с полевым транзистором или симистором. Вы получаете то же основное преимущество – отсутствие искрения, поскольку полупроводниковый ключ берет на себя нагрузку при замыкании и размыкании контактов. Кроме того, вы максимально увеличиваете срок службы реле.

Если вам требуется гарантировать длительный срок службы, не забывайте о герконах. Герконы, разработанные для телефонной индустрии десятилетия назад, могут обеспечить очень долгий срок службы и ту же степень герметичности, что и МЭМС-реле. На рынке присутствует множество производителей герконов, и вы, без сомнений, сможете найти оптимальный для вас компонент. Автор статьи стал поклонником герметичных реле после того, как в его электрическом чайнике сгорело обычное реле (рис. 6).

Сгоревшее реле чайника Cuisinart

Рис. 6. Сгоревшее реле чайника Cuisinart. Верхняя часть корпуса реле была снята для осмотра внутренних повреждений. Негерметичные реле могут создавать быть проблемы во влажной среде. 

Характеристики МЭМС-реле MM1200-00-E:

  • Число каналов: 6;
  • Рейтинг напряжения: 150 В;
  • Максимальное сопротивление в замкнутом состоянии: 1 Ом;
  • Сопротивление изоляции: 1 ГОм;
  • Постоянный ток: 1 А/канал;
  • Максимальный суммарный ток всех каналов: 3А;
  • Время включения: менее 10 мкс;
  • Ресурс: более 3 миллиардов переключений;
  • Интерфейс: SPI;
  • Напряжение питания: 5 В и источник смещения 75 В;
  • Диапазонрабочихтемператур: −40…100 °C
  • Корпусное исполнение: 6 x 6 мм 49-BGA.

Источник: https://www.electronicdesign.com

Производитель: Menlo Micro Inc.
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
MM3100-00
MM3100-00
Menlo Micro Inc.
Арт.: 3210512 ИНФО PDF
Поиск
предложений
6-канальный SPST-переключатель в корпусе 6 x 6 мм 49-BGA. Диапазон рабочих температур: -40…+85°C.
MM3100-00
-
Поиск
предложений
MM3100-0Y
MM3100-0Y
Menlo Micro Inc.
Арт.: 3210513 ИНФО PDF
Поиск
предложений
6-канальный SPST-переключатель в корпусе 6 x 6 мм 49-BGA. Диапазон рабочих температур: -40…+100°C.
MM3100-0Y
-
Поиск
предложений
MM1200-00-E
MM1200-00-E
Menlo Micro Inc.
Арт.: 3490328 ИНФО
Поиск
предложений
МЭМС-реле объединяет 6 силовых ключей, управляемых по SPI. Любой из шести ключей может коммутировать ток до 1 А, но из-за ограничений корпуса суммарный ток всех каналов не должен превышать 3 А.
MM1200-00-E
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()