如何使用關(guān)鍵的射頻電路浪涌保護(hù)方法？

對于許多電子應(yīng)用來說，通常被稱為功率浪涌、電壓浪涌或電流尖峰的瞬態(tài)電壓和瞬態(tài)電流，是相對頻繁發(fā)生的。這種瞬態(tài)浪涌可能由各種人為或自然因素而引起。

其中的人為因素包括電磁脈沖、高功率發(fā)射機(jī)、雷達(dá)、雷達(dá)干擾機(jī)、電子對抗(ECM)、出現(xiàn)破壞性故障的變壓器、開關(guān)切換、電弧電子設(shè)備(電焊機(jī))、工業(yè)電感負(fù)載和設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)碾娮釉O(shè)備所引起。而可能導(dǎo)致瞬態(tài)浪涌的自然電磁干擾(EMI)因素則包括照明、太陽耀斑、日冕物質(zhì)拋射(極光)以及其他太陽/宇宙天氣條件。

無論是人為還是自然引起，瞬態(tài)浪涌都可能導(dǎo)致保護(hù)不充分的電子設(shè)備的電壓和電流條件遭到徹底破壞、損壞或降低。過壓和過流是可能導(dǎo)致電子設(shè)備故障的一種機(jī)制，但如果有足夠持續(xù)的高瞬態(tài)電壓/電流，也可能導(dǎo)致設(shè)備過熱和降額。通常對位于國防/航空航天、工業(yè)、汽車和屋頂/高塔頂部等環(huán)境中的敏感射頻電子設(shè)備尤其如此，而在這些環(huán)境中，電子系統(tǒng)可能更容易受到危險(xiǎn)的EMI輻射。

通信、雷達(dá)和其他傳感設(shè)備中，由于在靠近天線附近的射頻電路的下游或射頻前端(FE)中，通常都有敏感的模擬和數(shù)字電路，因此，至關(guān)重要的是，如何保護(hù)射頻電子設(shè)備、并防止瞬態(tài)浪涌級聯(lián)到電子設(shè)備/電氣系統(tǒng)中而損壞其他敏感設(shè)備。

射頻浪涌保護(hù)
有多種方法和技術(shù)用來保護(hù)射頻電路。這些方法可能與用于保護(hù)直流或交流電子設(shè)備的方法有所不同，因?yàn)槿魏紊漕l電子浪涌保護(hù)技術(shù)，都需要同時(shí)允許高頻信號通過。常見的射頻電子浪涌防護(hù)技術(shù)包括：采用金屬氧化物變阻器(MOV)、硅雪崩抑制二極管(SASD)、濾波器解決方案以及各種氣體放電管。

金屬氧化物壓敏電阻(MOV)
MOV是一種基于半導(dǎo)體的、與電壓相關(guān)的可變電阻器，通常與負(fù)載或需要保護(hù)的部件相并聯(lián)或旁路。電壓比較低時(shí)，MOV表現(xiàn)出高電阻。而在高電壓時(shí)，MOV呈現(xiàn)出非線性電壓/電流特性，導(dǎo)致其表面電阻要低得多。

圖1：上圖所示為MOV的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。資料來源：JAK Electronics

將MOV與負(fù)載并聯(lián)的結(jié)果是，出現(xiàn)峰值高電壓時(shí)，在數(shù)微秒時(shí)間內(nèi)，MOV將躍遷到負(fù)載周圍的低阻抗路徑，甚至可能是直接接地。MOV是雙向的，可以感知到高能量。MOV是有用的保護(hù)電路，盡管其動(dòng)作可能比其他解決方案慢一些，但由于在兩個(gè)方向上都可以箝位，故這在各種EMI或瞬態(tài)浪涌出現(xiàn)時(shí)，將是非常有用的。

硅雪崩抑制二極管(SASD)
SASD是真正的固態(tài)半導(dǎo)體浪涌抑制器件。這些器件旨在利用雪崩擊穿現(xiàn)象。該雪崩擊穿現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)通電流的突然或快速增加。如果SASD被旁路放置在待保護(hù)負(fù)載或設(shè)備/部件的一旁時(shí)，瞬態(tài)過壓將觸發(fā)雪崩擊穿，并導(dǎo)致旁路接地。與MOV相比，SASD具有極快的響應(yīng)時(shí)間，這使得它們在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的高速數(shù)字、射頻和DC電路中的應(yīng)用都非常普遍。

與MOV器件一樣，SASD通常不易受到熱失控的影響；并且通?？梢杂谰霉ぷ鳎浅^其臨界電壓/電流閾值(該閾值通常比同類的MOV器件要低一些)。因此，為了實(shí)現(xiàn)兩種器件類型各自的優(yōu)點(diǎn)，通常可以將這兩種器件一起混用，即將MOV和SASD器件串聯(lián)起來使用。MOV和SASD器件可用的射頻頻率高達(dá)數(shù)千兆赫，通常<3GHz。

氣體放電管保護(hù)器/避雷器
氣體放電管通常由腔室中的惰性氣體構(gòu)成。捕獲到浪涌時(shí)，該氣體腔在侵入的瞬態(tài)浪涌和接地線之間實(shí)現(xiàn)電連接。當(dāng)氣體放電管的兩端明顯存在足夠高的電壓時(shí)，其中的惰性氣體會(huì)發(fā)生電離，并構(gòu)成一個(gè)與下游電路旁路的高導(dǎo)電通道，而非接地。

圖2：氣體放電管是一種動(dòng)作非常快的開關(guān)，其導(dǎo)電特性變化非常快，因此當(dāng)發(fā)生擊穿時(shí)，會(huì)從開路狀態(tài)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)短路。資料來源：Citel

浪涌過后，分散在氣體放電管中的正負(fù)離子重新結(jié)合，再次變得不導(dǎo)電。因此，氣體放電管是一種多用途、有效的瞬態(tài)浪涌抑制技術(shù)，尤其適用于雷擊事件。氣體放電管通常也與MOV和SASD裝置一起，被用于混合瞬態(tài)浪涌保護(hù)/抑制。氣體放電管可以工作的射頻頻率也能高達(dá)幾千兆赫。

濾波器型保護(hù)器
與本文前面討論的其他瞬態(tài)浪涌保護(hù)/抑制技術(shù)不同，濾波器型瞬態(tài)浪涌抑制器，不是將多余的瞬態(tài)能量分流到地，而是吸收阻性濾波器元件內(nèi)的能量、或者是從濾波器輸入端口反射過來的能量。這樣，這些浪涌抑制器與射頻信號路徑共線，而不是旁路倒地。

實(shí)際上，基于濾波器的瞬態(tài)浪涌抑制器其本質(zhì)就是帶通濾波器，該濾波器只允許特定頻率范圍的信號以極低的插入損耗通過，但卻對限定頻率范圍之外的信號呈現(xiàn)非常高的衰減。

(參考原文：Four key surge protection methods for RF designs）

本文轉(zhuǎn)載自：電子工程專輯

審核編輯 黃宇