国外通信继电器发展概况
■中国电子科技集团公司第四十研究所　吴世湘
通信是继电器应用的两大的市场之一（汽车是另外一个大的应用市场）。2001年的统计结果显示，按销售额计算，通信在整个继电器市场占有的份额已上升到25.8%，比前一年增加了约5.8%。通信用继电器销售额达12.13亿美元，年增长率达2～6%。由于通信业的迅猛发展使得通信继电器在技术、设计、制造工艺以及材料等方面有了许多重大变化和发展。


通信继电器发展历程


通信继电器的发展主要经历了四代，市场上目前主流产品是仍是第三代，而第四代产品目前蓄势待发，但普及尚需时日。

第一代通信继电器出现于20世纪70年代，产品的尺寸为20 10 10mm，均采用THT（通孔）安装形式，功耗达500mW，使用的标准为IEC61811-51。20世纪80年代诞生了第二代产品，外形尺寸、安装形式、等技术指标虽没有实质性变化，但功耗已降至200mW，制造的标准是IEC61811-52。

当前第三代居于市场主导地位，比起前两代有了很大改观。最小外形尺寸已降至14.0 7.0 5.5mm， 功耗则由200mW降至140 mW，不仅有THT安装形式而且出现了SMD（表面贴装）安装形式。第三代采用的标准是IEC61811-54。

第四代通信继电器正在迅速崛起，预计未来10年将普及。第四代产品的最小尺寸已降至10 6.5 5.0mm，功耗降到100mW，是第二代产品的一半，标准是新制定的IEC61811-55。

从结构和设计角度看，第一、第二代通信继电器绝大多数是拍合式磁路结构，推杆式机械传递，采用双触点，触点材料是AgPd合金。第二代开始使用钐钴高能合金永磁体组成桥式磁路。及至第三代磁系统几乎全都做成了含高能永磁体的双线圈对称平衡翘板式磁路结构，触点点焊在带料上后，整体注塑要求高，设计冗余度极小。

目前，世界通信继电器年产量达7～8亿只，用于开关转换的占50%以上，用于通信的约占30%，其余为工业系统等领域。日本和欧洲是通信继电器技术最发达的地区，各大厂商的生产比例为：Siemens占6%，Omron占18%，Matsush i ta占30%， Fujistu （Takamisawa）占21%，NEC占13%，AXICOM等其它厂商占12%。

标准方面，通信继电器采用的国际标准主要是IEC，但Bellcore、FCC以及EN等也常用。这些标准对通信继电器性能的规定上是基本一致的，新出台的IEC61811-55则为第四代通信继电器的发展指明了方向。



发展现状


通信用的继电器主要是机电继电器，固体继电器所占比例很小。其中的主要原因是与其它类型继电器相比，机电继电器有多方面的优点：切换范围大，导通电阻低，关断状态绝缘电阻高;线圈与触点间介质耐电压高(>2500V)，动合触点间达1500V; 良好的RF特性;使用简便。更为重要的是即使在有害环境下也耐用、可靠，且成本低。机电继电器也有缺点，如线圈产生的磁场对其它元件将形成电磁和射频干扰；通电时触点簧片在切换的瞬间可能会损坏电路；使用寿命取决于触点材料等等。但机电继电器通过不断革新能满足通信应用的额外要求，如降低板的空间及高度，减小体积，气密封继电器，增大的浪涌要求(>2500V，峰值电流500A)，SMD能力（焊温达260℃）等。随着通信继电器由第三代向第四代过渡，为适应通信应用对元件提出的日趋苛刻的要求，目前国外通信继电器在技术、设计、新材料等方面出现了新的变化和发展。


技术方面



首先开始采用一种增强通信继电器性能的基本技术 "ENG"技术。"ENG"是Electro-Negative-Gasses的缩写，意即负电性气体，典型的负电性气体有SF6（六氟化硫）、CF4（四氟化碳）等，这种气体与空气、氮气相比具有超强的介电性能。它已成为中高电压交换设备中的主导性灭弧媒介和绝缘媒介。国外业内认为ENG技术可能是机电继电器进一步小型化最具革新性的手段。ENG技术可提高介电耐压两倍，而不增大介电间距。在严酷的环境下继电器各项性能正常，外壳也保持完好，对耐久性无负面影响。

此外还一种受到国外推崇的技术 扁平线圈系统。扁平线圈采用微型机加工方法生产。通过光刻和电镀工艺将线圈和磁极集成在薄铁片上，从而形成一种简单的扁平线圈芯片（用于最终组装过程），如图1所示。光刻技术允许在薄片上集成数百个磁路芯片。由于仅需改变障板（蔽光框），各种灵敏的电压及线圈电压等都比较容易实现。

采用这种技术在降低产品成本的同时可产生高的精密性，且具有良好的可重复生产性。 国外将该技术称之为"实现下 一代通信继电器小型化的重大技术。"


设计方面


采用CAE（计算机辅助工程）仿真技术使得整个设计过程有了耳目一新的变化。由于市场竞争的加剧，只有快速满足市场对通信继电器提出的各种不断变化的需求才能占据商机，这就客观上要求缩短设计过程和成本。

在磁系统设计上，有些公司在磁系统的驱动方式上采用静电驱动，这种驱动机构为楔形结构，由可运动的两个可变电容构成气隙将两个驱动电极（一个是扁平固定电极，另一个电极采用的是弯曲硅片称为复位弹簧）隔离。如图2所示，当施加驱动电压时，产生电场产生静电吸力。随着电压升高，弯曲弹簧叶片展开。气劈移向弹簧末端直至簧片与扁平接地极完全接触。当簧片展开至固定电极时，由于凸点的高度而使构成接触簧片的弹簧末端叶片独自弯曲。展开过程由电容静电能量变化与展开过程中存贮在复位弹簧内的机械能之差来控制。这种静电驱动机构比起电磁继电器电机功率极低，驱动机构尺寸仅为1.5mm左右，典型的具有平板电容的静电驱动机构可提供>60V驱动电压，接触力 1仅为1mN左右。


材料方面


钯（尤其是AgPd60）是近些年来通信继电器中最常使用的触点材料，但由于钯的市场价格大幅飙升，加之新一代通信继电器小型化、低成本趋势以及新的安全标准要求（介电强度及浪涌要求）也促使对触点材料进行革新。国外相继推出了钯的替代物AgNi20和PdRu10，评估表明，用AgNi20替代AgPd60对继电器的性能无明显影响。尽管更高电压时两者的特性不相上下，但在切换更高电流时AgNi20 比AgPd60效果要好。而在SF6气氛中工作的PdRu10所达的效果更佳，材料的转移和腐蚀降低了10倍。由于材料转移量极小（孔隙和尖峰的形成），因而在继电器整个寿命过程中，触点间隙保持恒定，介质耐电压、浪涌电压不变，从而可在继电器设计过程中实现极小间隙，减小了外形尺寸。

在磁材料方面，永磁体发展很快，尤其是磁合金制造技术和新的基础性材料。由于场强损失可引起继电器关键参数的改变，因此磁体在各种温度下保持场强并承受极端的振动尤其重要。SmCo（钐钴）磁体近些年的发展表明在350℃范围内磁体可保持稳定的场强。高能磁材料NdFeB（钕铁硼）倍受瞩目，目前正在研制提高其工作稳定温度的搀料，特别是运用重稀土（如搀加了铜和氧的镝）可以大大增加温度的稳定性。另一方面，将硬磁NdFeB与软磁复合应用进而产生了一种持久性很高的高矫顽力材料，这种材料被称之为瘦稀土。几种有前景的复合磁材料也正在开发之中。


通信继电器未来发展趋势


①小型化将持续。由于通信设备的快速发展，板的空间不断缩小，小型化是每个厂商面临的必然趋势，但小型化是以不损害性能为前提的。通信继电器从第一代（20世纪70年代）到第四代尺寸已从20 10 10mm降至10.0 6.5 5.0mm，缩小了6倍多，通信继电器第一代至第四代小型化趋势如图3所示。目前国外利用MEMS（微机电系统）技术已制造出尺寸仅1.5 1.0 0.6mm世界上最小的机电继电器。

②低功耗。从第二代继电器到第四代功耗由200mW降至100mW。减小了一半。NEC开发的一种新型超灵敏度通信继电器在外形尺寸不变，性能改善的同时功耗降到了50 mW。

③更高的可靠性及安全要求。针对第四代通信继电器制定的国际标准-IEC61811-55（草案）对浪涌耐压、绝缘耐压及防护浪涌的绝缘间距以及输入与输出之间的隔离均提出了更加苛刻的要求。

④磁系统效率将进一步优化。一方面永磁体材料将快速发展，通过搀加成分来改善磁材料性能。硬磁和软磁组将合应用以产生高持久性和高矫顽力的材料。另一方面有些设计为降低继电器的体积已经不用永磁体，出现