如何使用关键的射频电路浪涌保护方法？

对于许多电子应用来说，通常被称为功率浪涌、电压浪涌或电流尖峰的瞬态电压和瞬态电流，是相对频繁发生的。这种瞬态浪涌可能由各种人为或自然因素而引起。

其中的人为因素包括电磁脉冲、高功率发射机、雷达、雷达干扰机、电子对抗(ECM)、出现破坏性故障的变压器、开关切换、电弧电子设备(电焊机)、工业电感负载和设计不当的电子设备所引起。而可能导致瞬态浪涌的自然电磁干扰(EMI)因素则包括照明、太阳耀斑、日冕物质抛射(极光)以及其他太阳/宇宙天气条件。

无论是人为还是自然引起，瞬态浪涌都可能导致保护不充分的电子设备的电压和电流条件遭到彻底破坏、损坏或降低。过压和过流是可能导致电子设备故障的一种机制，但如果有足够持续的高瞬态电压/电流，也可能导致设备过热和降额。通常对位于国防/航空航天、工业、汽车和屋顶/高塔顶部等环境中的敏感射频电子设备尤其如此，而在这些环境中，电子系统可能更容易受到危险的EMI辐射。

通信、雷达和其他传感设备中，由于在靠近天线附近的射频电路的下游或射频前端(FE)中，通常都有敏感的模拟和数字电路，因此，至关重要的是，如何保护射频电子设备、并防止瞬态浪涌级联到电子设备/电气系统中而损坏其他敏感设备。

射频浪涌保护

有多种方法和技术用来保护射频电路。这些方法可能与用于保护直流或交流电子设备的方法有所不同，因为任何射频电子浪涌保护技术，都需要同时允许高频信号通过。常见的射频电子浪涌防护技术包括：采用金属氧化物变阻器(MOV)、硅雪崩抑制二极管(SASD)、滤波器解决方案以及各种气体放电管。

金属氧化物压敏电阻(MOV)

MOV是一种基于半导体的、与电压相关的可变电阻器，通常与负载或需要保护的部件相并联或旁路。电压比较低时，MOV表现出高电阻。而在高电压时，MOV呈现出非线性电压/电流特性，导致其表面电阻要低得多。

图1：上图所示为MOV的内部结构。资料来源：JAKElectronics

将MOV与负载并联的结果是，出现峰值高电压时，在数微秒时间内，MOV将跃迁到负载周围的低阻抗路径，甚至可能是直接接地。MOV是双向的，可以感知到高能量。MOV是有用的保护电路，尽管其动作可能比其他解决方案慢一些，但由于在两个方向上都可以箝位，故这在各种EMI或瞬态浪涌出现时，将是非常有用的。

硅雪崩抑制二极管(SASD)

SASD是真正的固态半导体浪涌抑制器件。这些器件旨在利用雪崩击穿现象。该雪崩击穿现象会导致导通电流的突然或快速增加。如果SASD被旁路放置在待保护负载或设备/部件的一旁时，瞬态过压将触发雪崩击穿，并导致旁路接地。与MOV相比，SASD具有极快的响应时间，这使得它们在网络设备中的高速数字、射频和DC电路中的应用都非常普遍。

与MOV器件一样，SASD通常不易受到热失控的影响；并且通常可以永久工作，除非超过其临界电压/电流阈值(该阈值通常比同类的MOV器件要低一些)。因此，为了实现两种器件类型各自的优点，通常可以将这两种器件一起混用，即将MOV和SASD器件串联起来使用。MOV和SASD器件可用的射频频率高达数千兆赫，通常<3GHz。

气体放电管保护器/避雷器

气体放电管通常由腔室中的惰性气体构成。捕获到浪涌时，该气体腔在侵入的瞬态浪涌和接地线之间实现电连接。当气体放电管的两端明显存在足够高的电压时，其中的惰性气体会发生电离，并构成一个与下游电路旁路的高导电通道，而非接地。

图2：气体放电管是一种动作非常快的开关，其导电特性变化非常快，因此当发生击穿时，会从开路状态迅速转变为准短路。资料来源：Citel

浪涌过后，分散在气体放电管中的正负离子重新结合，再次变得不导电。因此，气体放电管是一种多用途、有效的瞬态浪涌抑制技术，尤其适用于雷击事件。气体放电管通常也与MOV和SASD装置一起，被用于混合瞬态浪涌保护/抑制。气体放电管可以工作的射频频率也能高达几千兆赫。

滤波器型保护器

与本文前面讨论的其他瞬态浪涌保护/抑制技术不同，滤波器型瞬态浪涌抑制器，不是将多余的瞬态能量分流到地，而是吸收阻性滤波器元件内的能量、或者是从滤波器输入端口反射过来的能量。这样，这些浪涌抑制器与射频信号路径共线，而不是旁路倒地。

实际上，基于滤波器的瞬态浪涌抑制器其本质就是带通滤波器，该滤波器只允许特定频率范围的信号以极低的插入损耗通过，但却对限定频率范围之外的信号呈现非常高的衰减。

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

本文为《电子工程专辑》2023年8月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。点击申请免费杂志订阅