射频设计的四种关键浪涌保护方法

瞬态电压和瞬态电流事件，通常称为电源浪涌、电压浪涌或电流尖峰，是许多电子应用中相对常见的现象。瞬态浪涌可能由多种人为或自然因素引起。

人为因素包括电磁脉冲、高功率发射器、雷达、雷达干扰器、电子对抗 (ECM)、破坏性故障变压器、开关活动、电弧电子设备（焊机）、工业电感负载和设计不良的电子设备。可能导致瞬态浪涌的自然电磁干扰 (EMI) 现象包括照明、太阳耀斑、日冕物质抛射（极光）和其他太阳/宇宙天气条件。

无论是人为的还是自然的，瞬态浪涌都会导致电压和电流状况，从而彻底摧毁、损坏或降低未得到适当保护的电子设备的性能。过压和过流是导致电子设备故障的一种机制，但如果持续存在足够高的瞬态电压/电流，也会出现过热和降额。对于通常放置在国防/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来说尤其如此，这些电子系统可能更容易受到危险的 EMI 辐射。

由于天线附近的射频电子设备下游或者通信、雷达和其他传感设备的射频前端 (RFFE) 中通常存在敏感的模拟和数字电路，因此保护射频电子设备并防止瞬态浪涌传导至电子/电气系统并损坏其他敏感设备至关重要。

射频浪涌保护

保护射频电路的方法和技术多种多样。这些方法与保护直流或交流电子设备的方法略有不同，因为射频电子浪涌保护技术仍然需要允许高频信号通过。常见的射频电子浪涌保护技术采用金属氧化物压敏电阻 (MOV)、硅雪崩抑制二极管 (SASD)、基于滤波器的解决方案和气体放电管。

金属氧化物压敏电阻 (MOV)

MOV 是一种基于半导体的电压相关可变电阻器，通常与负载或需要保护的组件并联或分流。在低电压下，MOV 表现出高电阻。然而，在高电压下，MOV 表现出非线性电压/电流特性，导致表观电阻低得多。

图 1上图显示了 MOV 的内部结构。来源：JAK Electronics

将 MOV 与负载并联放置的结果是，在高电压峰值下，MOV 将在几微秒内过渡到负载周围的低阻抗路径，可能接地。MOV 是双向的，可以观察到高能量。MOV 是有用的保护电路，即使它们的动作比其他解决方案慢，因为它们可以从任一方向钳位，这可能对各种 EMI 或瞬态浪涌感应事件有益。

硅雪崩抑制二极管 (SASD)

SASD 是真正的固态半导体浪涌抑制装置。这些装置旨在利用雪崩击穿现象，从而导致电流传输突然快速增加。如果将 SASD 放置在带有要保护的负载或设备/组件的分流器中，瞬态过压将触发此击穿并导致分流到地。与 MOV 相比，SASD 具有极快的响应时间，这使得它们在联网设备中的高速数字、RF 和 DC 应用中非常常见。

SASD 通常不易发生热失控，而 MOV 器件则不然，并且通常可以运行，除非超出其临界电压/电流处理能力，这通常比同类 MOV 器件的阈值要低。因此，通常会有混合器件将 MOV 和 SASD 器件串联在一起，以实现两种器件类型的优势。MOV 和 SASD 器件允许射频频率达到几千兆赫，通常小于 3 GHz。

气体放电管瞬态浪涌保护器/避雷器

气体放电管通常由惰性气体构成，惰性气体被封存在一个腔室中，该腔室电连接在潜在瞬时浪涌入口点和接地线之间。当气体放电管两端出现足够高的电压时，其中的惰性气体会电离并变成高导电通道，从而将路径分流至下游电子设备而不是接地。

 
图 2气体放电管是一种快速动作开关，其导电特性变化非常快，因此当发生击穿时，它会从开路转变为准短路。来源：Citel

电涌事件发生后，气体放电管中分散的正离子和负离子重新结合，再次变为非导电性。因此，气体放电管是一种多用途且有效的瞬态电涌抑制技术，尤其适用于雷击事件。气体放电管也常与 MOV 和 SASD 设备一起纳入混合瞬态电涌保护/抑制设备中。气体放电管可以构造成允许射频频率运行至几千兆赫。

基于滤波器的瞬态电涌保护器

与本文讨论的其他瞬态浪涌保护/抑制技术不同，基于滤波器的瞬态浪涌抑制器不会将多余的瞬态能量分流到地。相反，它们吸收电阻滤波器元件内的能量或从滤波器输入端口反射的能量。这样，这些浪涌抑制器与 RF 信号路径一致，而不是接地分流器。

本质上，基于滤波器的瞬态电涌抑制器是带通滤波器，旨在允许特定范围的频率以的插入损耗通过，但对于有限带宽之外的频率内容的信号表现出非常高的衰减。