恒溫器、HVAC 系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警面板、安防設(shè)備、樓宇自動(dòng)化及工業(yè)控制等常見應(yīng)用，通常只需要一個(gè)簡(jiǎn)單信號(hào)，即可在受控的外部電路中控制交 / 直流電源通斷。傳統(tǒng)上這類場(chǎng)景一直使用電磁繼電器（EMR），但現(xiàn)代設(shè)計(jì)越來(lái)越追求更小體積、更高長(zhǎng)期可靠性、更強(qiáng)可配置性與功能，以及更低噪聲。采用小型 IC 封裝的固態(tài)繼電器（SSR）正好滿足這些需求。

本文探討在兩線 / 三線制各類應(yīng)用中，使用傳統(tǒng)繼電器進(jìn)行電源切換所面臨的設(shè)計(jì)難題，并介紹 Littelfuse 一款自鎖型 SSR，說(shuō)明它如何系統(tǒng)性解決這些痛點(diǎn)。

看似簡(jiǎn)單，實(shí)則棘手的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題

資深設(shè)計(jì)師都知道，很多基礎(chǔ)問(wèn)題在技術(shù)方案、BOM、PCB 空間、成本與用戶體驗(yàn)層面反而最難解決。一個(gè)典型案例是：家庭與建筑中大量沿用的兩線制舊布線，需要適配現(xiàn)代供暖系統(tǒng)觸發(fā)需求，也就是 HVAC 領(lǐng)域常說(shuō)的 “加熱請(qǐng)求（call for heat）” 場(chǎng)景。

傳統(tǒng)溫控式供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單：以經(jīng)典 T-86 恒溫器為例，當(dāng)檢測(cè)溫度低于設(shè)定值時(shí)，開關(guān)（金屬觸點(diǎn)或汞觸點(diǎn)）閉合。這種結(jié)構(gòu)自 1953 年問(wèn)世以來(lái)已售出數(shù)千萬(wàn)臺(tái)，至今仍在大量使用。

圖1：經(jīng)典的雙線T-86恒溫器。（圖片來(lái)源：Cooper-Hewitt博物館）

這種被稱為 “干觸點(diǎn)” 的閉合方式，會(huì)讓市電降壓后的 24V AC 信號(hào)驅(qū)動(dòng)電磁繼電器線圈，進(jìn)而啟動(dòng)鍋爐或其他熱源。恒溫器完全無(wú)源，既不需要供電也不提供電源。繼電器同時(shí)在 24V AC 控制回路與市電主回路之間提供電氣隔離。整套方案簡(jiǎn)單、可靠、易排查。

但隨著帶數(shù)字設(shè)定與溫度顯示的溫控器出現(xiàn)，再到支持時(shí)段控制的智能溫控器，最終演進(jìn)到帶聯(lián)網(wǎng)功能的 IoT 溫控器，問(wèn)題隨之而來(lái)：從無(wú)源變有源，溫控器需要供電了。而老式無(wú)源溫控器只有兩根線，沒(méi)有簡(jiǎn)單辦法為其供電。

圖2：經(jīng)典開關(guān)閉合環(huán)路無(wú)法為基礎(chǔ)數(shù)字恒溫器（左）或連接物聯(lián)網(wǎng)版本（右）供電，引發(fā)了如何為這些負(fù)載供電的問(wèn)題。（圖片來(lái)源：PRO1iaq，Ecobee）

這種供電難題并非只出現(xiàn)在傳統(tǒng)溫控器與 HVAC 系統(tǒng)，在安防、樓宇自動(dòng)化、工業(yè)控制、計(jì)量設(shè)備，以及所有使用簡(jiǎn)單觸點(diǎn)閉合表示 “觸發(fā) / 啟動(dòng)” 的場(chǎng)景中普遍存在。

目前有兩種供電方案，但都有明顯短板：

• 在溫控器內(nèi)使用可更換電池，居家與工業(yè)場(chǎng)景都不方便維護(hù)；

• 重新鋪設(shè)第三根線（C 線，Common）為溫控器提供 24V AC 電源。

在很多實(shí)際環(huán)境，尤其是家裝場(chǎng)景中，從溫控器到供暖設(shè)備重新布線難度極高，需要穿墻、打孔、布設(shè)防火堵料，施工與改造成本高昂。

自鎖型 SSR 完美解決電池與 C 線難題

Littelfuse CPC1601M 自鎖型固態(tài)繼電器，專為解決兩線制系統(tǒng)的上述局限而設(shè)計(jì)。

圖3：圖中顯示CPC1601M非隔離的1-Form-A固態(tài)鎖存繼電器，由負(fù)載供電。（圖片來(lái)源：Littelfuse）

CPC1601M 是一款非隔離、1 Form A 自鎖型固態(tài)繼電器，采用 3mm×3mm DFN 8 引腳小型封裝，工作電流極低。芯片提供 SET（置位）、RESET（復(fù)位，脈沖關(guān)斷）和 TOGGLE（翻轉(zhuǎn)）三種控制方式。

其核心創(chuàng)新點(diǎn)是：雙供電模式。芯片通過(guò)監(jiān)測(cè) HVcc 引腳，可從負(fù)載開路電壓取電，或從系統(tǒng)電源取電。

負(fù)載供電模式（Load-powered mode）

適用于 24V AC 變壓器等交流源。

• 繼電器不從系統(tǒng)電源取電，延長(zhǎng)電池壽命；

• 繼電器周期性短時(shí)斷開，從負(fù)載開路電壓中 “能量采集”；

• 多數(shù)應(yīng)用中，這種短暫中斷不影響系統(tǒng)運(yùn)行；

• 無(wú)需輔助電源，無(wú)需 C 線。

在典型 HVAC 系統(tǒng)中，溫控器驅(qū)動(dòng)接觸器繼電器 K1，K1 控制大功率負(fù)載，而 CPC1601M 負(fù)責(zé)控制 K1 的通斷。

當(dāng) CPC1601M 關(guān)斷時(shí)，變壓器 T1 的全部開路電壓加載在 RLY1/RLY2 兩端，通過(guò)內(nèi)部 DMOS 寄生二極管與外部二極管構(gòu)成全波整流，為濾波電容 CFILT 充電，作為負(fù)載取電模式下的儲(chǔ)能電容。

CPC1601M 還可對(duì)外輸出電壓，直接為配套 MCU 與外部電路供電。若輸出電壓匹配所選 MCU 電壓軌，可省掉外部 LDO。同時(shí)，芯片內(nèi)置 TVS 二極管，可在切換感性負(fù)載時(shí)抑制反向瞬態(tài)尖峰。

系統(tǒng)供電模式（System-power mode）

圖4：CPC1601M也可以配置為從系統(tǒng)電源運(yùn)行。（圖片來(lái)源：Littelfuse）

CPC1601M 從系統(tǒng)電源（如電池）取電，而非負(fù)載。

• 待機(jī)電流低于 1μA，極致省電；

• 適合電池供電、需要超長(zhǎng)續(xù)航的設(shè)備；

• 通過(guò) SET/RESET/TOGGLE 實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單控制。

 電氣隔離如何實(shí)現(xiàn)？

雖然目前展示的基本CPC1601M電路不包含電隔離，但有時(shí)需要電隔離以確保系統(tǒng)正常運(yùn)行，例如雙變壓器暖通空調(diào)系統(tǒng)中變壓器回波彼此分離且隔離。實(shí)施隔離的方法有很多，每種都有其權(quán)衡。

通過(guò)對(duì)脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單的電容耦合實(shí)現(xiàn)與CPC1601M隔離既簡(jiǎn)單又經(jīng)濟(jì)（見圖5）。系統(tǒng)MCU產(chǎn)生多個(gè)PWM信號(hào)周期，通過(guò)隔離電容（C1）電容耦合。這種PWM信號(hào)通常為200千赫（kHz），占空比為50%，經(jīng)過(guò)R2和C2濾波。這會(huì)產(chǎn)生一個(gè)直流信號(hào)，觸發(fā)CPC1601M的 SET 輸入。

圖5：通過(guò)在CPC1601M電路中添加電容器和少量無(wú)源元件，可以實(shí)現(xiàn)電隔離。（圖片來(lái)源：Littelfuse）

關(guān)鍵電器參數(shù)

雖然提供高效功能很重要，但一個(gè)可行的器件還必須提供系統(tǒng)所需的電壓、電流及其他額定和屬性。為此，CPC1601M具備：

• 輸入電源電壓為3V至5.5V

• 系統(tǒng)供電待機(jī)電流小于1 μA

• 典型的“導(dǎo)通”電阻為308毫歐（mΩ）

• TTL/CMOS 兼容邏輯輸入

• 雙向、負(fù)載連接的RLY1和RLY2觸點(diǎn)，可用于60伏巔峰交流或直流操作

• 支持2安培連續(xù)負(fù)載能力的RLY1和RLY2觸點(diǎn)，交流或直流

• 一個(gè)負(fù)載集體電源引腳，用于為外部電路供電，功率最高達(dá)10 mW

• SET或TOGGLE脈沖后的開通時(shí)間為1微秒（最大）;重置或切換脈沖后的互補(bǔ)關(guān)電時(shí)間也是1微秒（最大）

• 由于在負(fù)載供電模式下以零電流切換，電磁干擾（EMI）減少

• 靜音操作，因?yàn)闆](méi)有EMR咔嗒聲

結(jié)論

將傳統(tǒng)干觸點(diǎn)、無(wú)源溫控器升級(jí)為需要本地電池或第三根電源線的有源溫控器，思路簡(jiǎn)單但落地困難。Littelfuse CPC1601M 自鎖型 SSR 從根本上解決了兩線制取電難題，同時(shí)具備小型化、靜音、低功耗、高可靠等優(yōu)勢(shì)，可顯著提升系統(tǒng)性能與一致性。