以高压模拟开关替代光继电器：关键电压设计与选型实践

在自动化测试、工厂控制系统等高精度应用场合，光继电器（Photorelay）长期以来是实现高压信号切换的主流方案。但随着半导体技术的发展，高压模拟开关在集成度、尺寸、速度和成本方面逐渐展现出显著优势。尤其在德州仪器（TI）推出支持高达220V开关电压的模拟开关产品后，工程师们开始重新评估传统光继电器方案的必要性。

然而，直接替换光继电器并不是简单的参数对照，尤其是电压相关规格的匹配，若处理不当可能导致系统损坏甚至功能失效。本文基于实际设计经验，探讨在选用高压模拟开关替代光继电器时需重点考量的电压参数及其设计实践。

一、关键参数对照：从光继电器到模拟开关

光继电器与模拟开关虽然在功能上类似，但其数据手册中的参数命名和定义存在较大差异。若要在设计中正确替换，必须理解以下几个关键电压参数：

1. 隔离电压（Isolation Voltage, (V_)）

光继电器的 (V_{iso}) 指的是其输入端（LED侧）与输出端（MOSFET侧）之间介质能承受的最大电压。该参数保证了光电隔离的能力，常用于需要电气隔离的场合。

而在模拟开关中，并没有直接对应的“隔离电压”概念。取而代之的是电源电压范围和 信号电压范围 ，设计中需确保模拟开关的供电电压能够覆盖待切换信号的最高电压。

2. 开关电压（Switch Voltage, (V_)）

光继电器的 (V_{switch}) 表示其输出端能够安全切换的最大电压。在模拟开关中，与之对应的是 Analog I/O Voltage ，即开关通道所能承受的信号电压范围。

? 替换准则：
只要模拟开关的 Analog I/O 电压规格 ≥ 光继电器的 (V_{switch})，即可在大多数情况下实现替换。

举例来说，若光继电器规格为 100V，则可选用 TI 的 TMUX8212（支持±50V，即100V差分）或 TMUX9612（支持±110V，即220V差分）进行替代。

二、地电平不一致时的解决方案

在实际系统中，控制信号地（Control GND）与开关信号地（Switch GND）常常并不共地。这种情况下若直接连接，可能导致逻辑电平误判甚至器件损坏。

例如，当控制侧地为 -10V，而模拟开关的地为 -20V 时，普通的 GPIO 信号可能无法正确被识别为高/低电平。

TI 提供的 TXG 系列电平转换器 （如 TXG8041/TXG8042）可解决此类问题。该器件能处理高达 ±80V 的地电平差，确保控制信号正确传递至模拟开关的逻辑引脚。

控制信号（-10V）→ TXG Translator → 转换后信号（-20V）→ 模拟开关 SELx

借此，即使在不同地电位的系统中，也能可靠使用高压模拟开关，同时享受到其小尺寸、低导通电阻和快速切换的优势。

三、器件选型建议

下表列出几款TI高压模拟开关的主要参数，供选型参考：

四、总结

用高压模拟开关替代光继电器，不仅能显著减小PCB面积、降低系统成本，还能提升切换速度和可靠性。然而，替换时必须严格比对电压规格，特别是：

• 模拟开关的 Analog I/O 电压需 ≥ 原光继电器的 (V_{switch})；
• 若控制地与开关地存在电位差，应使用如 TXG 系列的电平转换器；
• 注意开关的供电电压需覆盖信号电压范围。

TI 目前提供的模拟开关产品已覆盖从 50V 至 220V 的应用场景，结合电平转换方案，可满足绝大多数高压信号切换需求，是新一代测试、测量与自动化设备的优选方案。

相关资源 ：

• *附件：scda057.pdf
• TMUX96x / TMUX82x / TMUX76x 等系列数据手册

版权声明 ：本文内容部分参考德州仪器应用笔记 SCDA057，仅供学习交流使用。