开关热切换模式的特征分析

1. 概述

热切换指的是在开关操作(打开或者是闭合)的时候，开关上携带着信号。它对开关的寿命有着很大的影响，热切换的影响比冷切换的影响大的是好几个数量级的。



开关的供应商一般会在说明书上将这些信息都标注出来，但是他们一般都得说明一下在特定的阻抗源和负载的情况下，这些开关的参数是怎么样的。当将开关放置到开关系统中之后，会有一些问题的出现的，这些是需要特别注意的，下面就详细来说说可能出现的情况。

2. 电容性热切换模式

一般而言，对于用户而言，是很难判断开关是处在什么样的电压或者电流状态下的。当一个低阻抗源于一个高阻抗的负载连接在一起，但是布线或者是负载包含着很大的寄生电容，那么终点处的开关将会因为电容的源电荷的存在而经受着很高的浪冲电流。当开关连接到一个在初始状态就拥有很多电荷的电容性的负载时，也会有很高的浪冲电流。这种情况一般是存在于用来进行极性逆转的开关系统中，或是在使用的过程中在高阻抗的负载中残留了一些电荷。所以，在很多系统中，一般会使用布线等方式来释放这些剩余的电荷。

开关模块一般会包括最大的热切换电压，而且一般是以连接到某些阻性负载的情况下使用的。应该注意的是，当使用的时候有很长的线缆或者是电容性的负载连接到开关系统中的时候，说明书上的标注的这些参数都会相应的贬值。

3. 电源充电模式

有一种潜在的比较隐蔽的情况是，当电源连接到一个已经连接到另外一个电源的负载上时，开关所进行的也是一种热切换。这个负载一般会有一种局部去耦合电容，所以，在突然连接到电源的时候，会引起很大的浪涌电流。这些电流一般都不受电源的电流的限制，因为它们是从电源的解耦负载中解耦出来的电荷形成的。一些开关的这些浪涌电流的参数会比一般的开关的大，这些开关有代表性的是那些设计来专门用于将会大的摩擦动作或者用在高温环境的系统中的开关。固态继电器开关一般都有更加强大的承受能力，它们很适合用于有电源的热切换系统中，因为它们的电容间的浪涌电流的承受能力会比它们的稳态电流承受能力高一个数量级。

4. 闭合结构的热切换故障

大多数的机械开关的热切换故障一般都是由于连接部分的过热以及腐蚀而焊接在一起，或者是带有变化的或者是间歇性的阻抗，特别是在小电流的情况下更加明显。融化而焊接的部分一般会引起很大的浪涌电流，因为连接部分是有软金属，就很容易熔化。连接错误一般会由于腐蚀或是连接的那个位置有一些碎片的存在。

热切换也会在开关系统中引起很大的波形的变化，在电流中的突然的变化，还有电压水平的变化会激发边路的谐振电路，和外部连接到开关系统中。这些相对于开关的操作时间来说是很短的。

5. 开放结构中的热切换故障

这种故障的引起一般是因为不熟悉开关的参数规格或者是开关使用在感性负载中。

当开关使用在一个带有感性负载的系统中的时候，突然的打开，或者是突然的关闭将会产生很高的电压尖脉冲，这些都是由于在感应器中的东西释放出来了。机械开关可以创建一个多个中断点，或者是一个连续的弧形。

机械开关一般带有一个跟随着电压的增长而迅速下降的电流参数，因为有感性负载的存在的时候，这些参数会有比较大的变化，并且这些能力的退化不是很容易标定的。

在固态开关中，电流的变化一般会比机械开关的慢一些，但是由于感性负载的存在也将会产生电压尖脉冲，这些尖脉冲将会引起由于超过了固态开关的承受能力而引起别的故障。在固态开关的说明书中一般会标明最大的切换电压和电流的能力，一般都是用微焦耳来表示。这些能量是可以通过公式0.5*L*I*I来计算的。这里的L是电感，I是电流。

6. 电弧引起的热切换故障

在使用很大的功率的系统中，在使用机械开关进行切换的时候，将会产生电弧，时间长的话，这些电弧会引起连接点处出现腐蚀。这个电弧在连接的负载或者是信号源包含感性信号的时候将会引起很大的不良影响，因为会有多个连接，就会出现多个电弧的出现，这样伤害就变得更大了。

经常性的操作一个功率开关的时候，将会在短时间内引起很多由于附加的电弧，并提高了开关的温度，而且在一般情况下，都会产生更多的腐蚀作用和产生更多的热量。所以，很多大功率的机械开关会在相对低的周期内进行寿命测试，特别是它们将要用在最大功率的环境中的时候，就更加需要注意这些问题。一般来说，电弧的产生会引起温度的升高，这些将会引起连接点的腐蚀并且会损坏开关部件，特别是塑料材质的部分。一些开关会配置一个泄压阀之类的部件，用于释放多于的等离子体，以便减少电弧的产生的可能性。

在直流信号中，电弧的影响往往会变得更大，因为这种情况下，电弧会持续更长的时间的。

下面的这个很急就是在30V的电压和额外的过载电流引起的额，开关已经被损坏了。其中电弧只持续了1秒钟的时间，就引起了这样的伤害。



当电弧是在中间电流中发生的话，那么就意味着开关的包装已经在电弧发生的过程中浪费了很大的功率。这种情况一般不会发生在固态继电器中的。

7. 射频热切换模式

在进行射频信号热切换的时候，一般会发生一个跟切换其他信号的时候不太一样的情况的发生。如果源VSWR很高的时候，在开关从打开状态切换到闭合，或者是开关被打开的时候，就会出现一个很高的电压。如果信号源的VSWR足够高，并且还允许反馈信号建立一个很高的电压，那么插损会通过减弱反馈信号来减少最大电压。

由于操作状态对射频信号的热切换模式是有很大的影响，所以，除非特别的情况之下，要不这样的功率会引起源信号的很低的VAWR。如果继电器是在进行低的源信号或者是负载信号的VSWR的切换的时候，热切换的性能将会降低，而且有什么样的变化将取决于开关信号的状态。

8. 功率限制

开关的参数一般都会有一个功率大小的限制。在直流信号的时候，应该注意的是这个功率经常会表现成了信号电压或者是电流。当电压上升的时候，开关可承受的功率将会大大减少。

9. 直流和交流信号之间的差距

热切换的功率在直流和交流信号的环境之下是不一样的，交流信号拥有更大的功率。在直流信号开关中的信号几乎都是一个方向的，所以，腐蚀就会产生的更快。在交流信号应用中，腐蚀是双向的而且在信号变为0的时候，将会抑制这种腐蚀。
当承载的交流信号是来源于 AC电源的反馈成分的时候，电容器将会出现问题，并减少了开关的热切换能力。在交流电源系统中，它们拥有很多代表性的东西，如滤波器和变压器，它们比较容易产生问题。线性信号源或者是负载在阻断信号的时候会延长电弧持续的时间，电容性的负载将会关闭的路径中产生很高的浪涌电流。

10. 最小电容

我们应该注意的是在某些电磁继电器的热切换模式下，会要求要有很稳定的连接电阻，而且这个地方的电容需要保持在某个最小值的范围之内的。这个最小电容是需要小到剩余的电缆和电容可以通过一个浪涌电流来抵消掉的。

在进行了频繁的直流信号热切换之后，开关也会出现一些问题。因为这些操作可能会使得表面层的金属掉落，从而降低了射频信号的切换性能，会增加损耗和频率相关性，特别是在一些低频的应用中。所以，我们需要尽可能地防止在射频应用中切换直流信号。

11. 固态继电器

固态继电器在正常的使用情况下，它们的寿命是无限长的，不用担心类似于电磁继电器经常会出现的电弧的影响和连接器件的问题。经常性地切换几百M赫兹的信号的时候，会产生一定的热量，切换的速度越快的时候，产生的热量也就越少。所以说，使用固态继电器是在需要长寿命的热切换的应用中最好的解决方案。

12. 总结

综上所述，在测试系统中进行热切换的时候，需要注意的是开关本身的性质，毕竟有些开关在多次热切换之后，会对信号本身有很大的影响。在选取开关模块的时候，更加需要注意这些问题，像选用Pickering的PXI 开关的时候，产品的种类是很多的，有舌簧继电器、固态继电器、电磁继电器和微波开关等类型，只有选择了最适合实际应用的产品，才能用最经济、高效的方案来解决问题。