電壓開(kāi)關(guān)中常見(jiàn)問(wèn)題及解決方案

設(shè)計(jì)自動(dòng)化的測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)關(guān)需要搞清楚要開(kāi)關(guān)信號(hào)和要執(zhí)行測(cè)試的特點(diǎn)。例如，在測(cè)試應(yīng)用中承受開(kāi)關(guān)電壓信號(hào)的最合適的開(kāi)關(guān)卡和技術(shù)取決于其涉及電壓的幅值和阻抗。

中等大小電壓的開(kāi)關(guān)

中等大小電壓應(yīng)用（1V到200V）通常要把一個(gè)伏特計(jì)或電壓源切換到多個(gè)器件，例如測(cè)試電池、電化電池、電路配件、熱電偶等。切換多個(gè)電源和切換多個(gè)負(fù)載各自分別存在相應(yīng)的問(wèn)題。

一個(gè)伏特計(jì)到多個(gè)串聯(lián)電源的開(kāi)關(guān)

圖1給出了切換伏特計(jì)到多個(gè)串聯(lián)的30電壓源（VS）的情形。為了避免其中一個(gè)或多個(gè)發(fā)生短路，必須在關(guān)閉一個(gè)通道之前打開(kāi)另一個(gè)通道（操作前斷開(kāi)）。此外，要給每個(gè)電壓源串聯(lián)熔絲，避免超過(guò)卡的共模額定電壓。在這個(gè)例子中，每個(gè)電源都是12V，整個(gè)串聯(lián)電源的總電壓為360V。最好采用至少500V的通道-通道額定電壓和共模額定電壓。

圖1. 一個(gè)伏特計(jì)到多個(gè)串聯(lián)電源的開(kāi)關(guān)

一個(gè)電壓源到多個(gè)負(fù)載的開(kāi)關(guān)

圖2給出了單個(gè)電壓源連接多個(gè)負(fù)載的情形。如果兩個(gè)或多個(gè)負(fù)載連接電源，那么由于流過(guò)公共阻抗（R）（例如測(cè)試引線和線路電阻）的電流影響，每個(gè)負(fù)載上的電壓可能會(huì)小于期望值。隨著額外負(fù)載的接入，總電流將會(huì)增大，從而提高了公共阻抗（R）上的電壓降。

圖2. 一個(gè)電壓源到多個(gè)負(fù)載的開(kāi)關(guān)

開(kāi)關(guān)電阻

當(dāng)把一個(gè)電壓源切換到多個(gè)器件時(shí)，可能必須對(duì)開(kāi)關(guān)電阻產(chǎn)生的電壓降進(jìn)行補(bǔ)償。特別地，如果器件具有較低的電阻，流過(guò)開(kāi)關(guān)的電流可能會(huì)產(chǎn)生較大的電壓降。在遠(yuǎn)程檢測(cè)中，負(fù)載上跨接了外部檢測(cè)電路，這種方式有助于校正開(kāi)關(guān)和布線上的所有電壓降。

低壓開(kāi)關(guān)

當(dāng)開(kāi)關(guān)控制的信號(hào)電平為毫伏甚至更低時(shí)，采用特殊的技術(shù)有助于防止電壓誤差。這些誤差可能來(lái)自于卡上或者連接線中的熱電偏移電壓、開(kāi)關(guān)膜污染、磁場(chǎng)干擾或接地環(huán)路。

熱電偏移電壓

低電壓卡的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)是它的接觸電位，即熱電偏移電壓。熱電電壓是不同金屬構(gòu)成的結(jié)點(diǎn)上的溫度差產(chǎn)生的電壓，例如鎳鐵笛簧繼電器與它們連接的銅導(dǎo)體之間。這種溫度梯度主要由激勵(lì)線圈的功耗引起的。這一偏移電壓直接疊加到信號(hào)電壓上，可以建模為一個(gè)不需要的電壓源與目標(biāo)信號(hào)串聯(lián)。偏移電壓會(huì)給待測(cè)器件（DUT）所施加的激勵(lì)或伏特計(jì)測(cè)量的結(jié)果造成誤差。

多種因素都會(huì)影響熱電電壓導(dǎo)致的卡的漂移電平，包括所采用的繼電器類(lèi)型（笛簧式、固態(tài)式或機(jī)電式）、線圈驅(qū)動(dòng)技術(shù)（閂鎖或非閂鎖）以及用于觸點(diǎn)電鍍的材料（例如，鎳合金或金）。

在笛簧繼電器通電之后，它線圈上的功耗將使其溫度上升幾分鐘，因此在觸點(diǎn)閉合之后的幾秒鐘內(nèi)完成低壓測(cè)量是非常重要的。如果在閉合之后的幾分鐘時(shí)間內(nèi)進(jìn)行了很多測(cè)量，那么讀數(shù)中將會(huì)加入不斷增大的熱電電壓。熱時(shí)間常數(shù)的大小可以從幾秒到幾小時(shí)不等。即使固態(tài)繼電器沒(méi)有線圈損耗，內(nèi)部IR壓降產(chǎn)生的熱量仍然會(huì)產(chǎn)生熱電漂移。閂鎖繼電器采用電流脈沖進(jìn)行激勵(lì)，因此具有很低的熱電漂移。

與開(kāi)關(guān)卡的連接也是一個(gè)產(chǎn)生發(fā)熱電壓的來(lái)源。我們應(yīng)該盡量采用沒(méi)有鍍錫的銅線連接開(kāi)關(guān)卡，并且保持所有引線處于相同的溫度?？梢圆捎靡粋€(gè)短路通道構(gòu)建零基值的方式對(duì)偏移電壓進(jìn)行補(bǔ)償。但是，這種補(bǔ)償方式并不理想，因?yàn)橛捎谧詿岷铜h(huán)境溫度的變化，偏移電壓會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生變化。

在切換低電壓同時(shí)又進(jìn)行低電阻測(cè)量時(shí)，可以采用偏移補(bǔ)償?shù)姆绞降窒麩犭娖齐妷?，這需要利用兩個(gè)不同的電流值進(jìn)行兩次電壓測(cè)量。用兩次電壓測(cè)量結(jié)果的差除以?xún)纱螠y(cè)試電流的差，即可計(jì)算機(jī)出電阻的值：

開(kāi)關(guān)膜污染

隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，繼電器接觸點(diǎn)的表面會(huì)形成一層污染膜，從而增大它的電阻，在低電壓測(cè)量或供電情況下這會(huì)使得開(kāi)關(guān)電壓變得不穩(wěn)定。>l00mV的電壓通常不受這種污染的影響。采用固態(tài)開(kāi)關(guān)式掃描卡可以防止這一問(wèn)題。

磁干擾

磁通量的高速變化，例如開(kāi)關(guān)電源或者高電流信號(hào)通斷所產(chǎn)生的，會(huì)在相鄰的低壓電路中感應(yīng)出幾個(gè)微伏的電壓，造成明顯的誤差。通過(guò)將噪聲源與敏感電路盡可能分離開(kāi)，進(jìn)行磁場(chǎng)屏蔽，使用帶屏蔽的雙絞線，減少噪聲源和信號(hào)導(dǎo)線的有限區(qū)域等措施，可以最大限度地減少磁干擾問(wèn)題。

接地環(huán)路

如果兩個(gè)接地點(diǎn)之間存在較小的電位差，那么系統(tǒng)的某些敏感部分可能會(huì)產(chǎn)生一定的地電流。這種情況只出現(xiàn)在某些開(kāi)關(guān)閉合，進(jìn)行復(fù)雜診斷的情況下。無(wú)論什么時(shí)候，盡量保持一個(gè)系統(tǒng)接地點(diǎn)。如果做不到這一點(diǎn)，可以采用基于光耦合或平衡變壓器的隔離技術(shù)，增大兩點(diǎn)之間的有效電阻，將公共地電流降低至可以忽略的水平。

高壓開(kāi)關(guān)

線纜和印制電路板的絕緣電阻測(cè)試或者耐壓測(cè)試通常都涉及高電壓的開(kāi)關(guān)切換。為了避免損壞開(kāi)關(guān)卡，在開(kāi)關(guān)切換200V以上的電壓時(shí)必須十分謹(jǐn)慎，要選擇額定指標(biāo)符合所需電壓與功率大小的開(kāi)關(guān)卡，例如用于3706型系統(tǒng)開(kāi)關(guān)/萬(wàn)用表（如圖3所示）的吉時(shí)利3720型雙1x30多路復(fù)用卡，以及額定指標(biāo)合適的線纜。如果可行，采用冷開(kāi)關(guān)的方式可以延長(zhǎng)繼電器的壽命，增大所容許的電流。

圖3. 吉時(shí)利3706型系統(tǒng)開(kāi)關(guān)/萬(wàn)用表

電抗性負(fù)載會(huì)引起過(guò)大的電流和電壓跳變，因此為了防止損壞繼電器和外部電路，容性負(fù)載需要采取電流浪涌限制措施，感性負(fù)載需要采用電壓箝位措施。

高阻抗電壓開(kāi)關(guān)

高阻抗電壓開(kāi)關(guān)需要用在監(jiān)測(cè)電化學(xué)電池、測(cè)量半導(dǎo)體電阻率之類(lèi)的應(yīng)用中。開(kāi)關(guān)和測(cè)量具有高內(nèi)部阻抗的電壓源會(huì)遇到諸如偏移電流、雜散漏流和靜電干擾之類(lèi)的誤差。采用并聯(lián)電容技術(shù)可以延長(zhǎng)穩(wěn)定時(shí)間。

當(dāng)選擇開(kāi)關(guān)高阻抗電壓的開(kāi)關(guān)卡時(shí)，要確保該卡具有較低的偏移電流。流過(guò)高阻抗器件的任何偏移電流都會(huì)在器件上產(chǎn)生不需要的電壓，加入電壓測(cè)量中。

高阻抗電路對(duì)靜電干擾十分敏感，因此DUT和連接線都應(yīng)該很好地屏蔽以防止噪聲感應(yīng)。

測(cè)試儀器、開(kāi)關(guān)卡、線纜和夾具中的漏電流都會(huì)因?yàn)榻档蜏y(cè)量電壓而帶來(lái)誤差。因此要選擇具有較高隔離電阻的開(kāi)關(guān)卡，盡量在所有可能的地方使用保護(hù)電路，盡可能選擇具有最高絕緣電阻的絕緣體。

響應(yīng)時(shí)間是開(kāi)關(guān)高阻抗電壓信號(hào)時(shí)比較關(guān)注的另外一個(gè)關(guān)鍵因素。開(kāi)關(guān)和相關(guān)線纜中的并聯(lián)電阻會(huì)引起額外的響應(yīng)時(shí)間。在某些情況下，采用激勵(lì)保護(hù)電路可以大大消除并聯(lián)電容，使得線纜的屏蔽層與其中心導(dǎo)線（或者高阻抗引線）保持幾乎相同的電位。圖4a給出了一種通過(guò)開(kāi)關(guān)連接靜電伏特計(jì)的高阻抗電壓情形。注意其對(duì)階躍函數(shù)的緩慢相應(yīng)。要保護(hù)這個(gè)信號(hào)，可以在靜電計(jì)的保護(hù)輸出端與卡的屏蔽端之間設(shè)置一個(gè)連接，如圖4b所示。某些靜電計(jì)，例如吉時(shí)利的6517B，可以通過(guò)開(kāi)啟內(nèi)部保護(hù)連接功能從內(nèi)部實(shí)現(xiàn)這一連接。開(kāi)啟這一保護(hù)功能有效減少了線纜和開(kāi)關(guān)電容，從而改善了靜電計(jì)的響應(yīng)時(shí)間。

圖4a. 高阻抗電壓源到靜電計(jì)的開(kāi)關(guān)

圖4b. 采用激勵(lì)保護(hù)電路抵消并聯(lián)電容

如果保護(hù)電壓超過(guò)30VDC，那么必須采用基于三軸連接的卡以確保安全性。適用于高阻抗電壓開(kāi)關(guān)的卡包括吉時(shí)利面向7000系列開(kāi)關(guān)主機(jī)的7158型卡（如圖5所示）和面向6517B靜電計(jì)的6522型卡（如圖6所示）。

圖5. 吉時(shí)利7001型開(kāi)關(guān)主機(jī)

圖6. 用于吉時(shí)利6517B型靜電計(jì)/高電阻計(jì)的開(kāi)關(guān)卡