详解RF端口如何选择TVS启动电压

现在是万物互联的时代，为了让联结更轻巧方便，各种通信设备之间的连接方式，从之前的有线通信升级为蜂窝、蓝牙、WIFI、GNSS等无线传输方式，这些信号都必须通过天线实现终端与其他设备的沟通。            

 

为了保证无线信号的强度和稳定，一般在机壳上有凸起或者缝隙来实现天线功能，但此时外部静电可能因此进入天线及内部的射频电路。所以对于RF端口的天线调谐开关，射频电路前端，以及PA之前会评估加上TVS，保护比较脆弱的内部器件。对于RF端口TVS的选取，要考虑工作电压，启动电压，钳位电压，结电容，浪涌耐受度，以及谐波等参数，这些参数都需要综合考虑，在本文中，我们重点讨论工作电压和启动电压。            

 

TVS的工作电压表示为Reverse working voltage，简写为Vrwm,这个参数表示此TVS管适合用于防护的电压系统。启动电压表示为Breakdown voltage，简写为VBV或Vbr，表示流过TVS管的电流为1mA时，TVS两端的电压。一般我们更关注Vbr的最小值，表示小于此电压，TVS管一定不会导通。            

 

关于工作电压Vrwm，工程师在选型时，有时会额外留出余量，避免系统正常的电压波动触发TVS，例如在3.3V的系统上使用Vrwm为5V的TVS，这样造成的影响是会选择到启动电压与钳位电压更高的TVS，因而导致降级的保护性能。            

 

一般情况下，TVS的启动电压Vbr最小值是工作电压的1.1~1.2倍，我们已经考虑到系统电压的波动，所以在TVS规格中，已经留出了10%~20%的余量，故推荐选择Vrwm与系统电压相同的TVS，可以获得最优的保护性能。            

 

随着技术的发展，新制程的深回扫型TVS应用也越来越普遍，比如AZ5B9S-01F，其Vbr 最小值为4V，但其Vrwm为1.5V。原因是此TVS启动后，电压会回扫到接近Vhold≈1.5V，所以AZ5B9S-01F推荐使用在1.5V及以下的接口，如果只按照Vbr来选型，可能会面临latch-up的风险，Amazing的TVS在标注Vrwm时，都会保证Vhold＞Vrwm，协助客户实现latch-up free的设计。            

 

了解了以上关于TVS的工作电压和启动电压的相关知识，结合RF端口的具体应用，就可以确定如何选择正确的TVS电压。我们通常使用的射频电路阻抗匹配为50Ω，VSWR（驻波比）预设为1:1，我们可以计算出不同单音信号功率对应的峰值电压。

 

表1、 50Ω系统不同功率对应峰值电压

 

 

从以上数据得知，在理想无反射的条件下，20dBm的峰值电压为3.16V，使用Vrwm为5V的TVS就可以满足需求，此功率范围对应的无线通信方式为GNSS和蓝牙，推荐使用AZ5B75-01B。蜂窝移动通信系统会有更高的发射功率，一般参考2G蜂窝网络GSM900的典型功率为33dBm；4G LTE支持HPUE能达到35dBm，其电压峰值为17.78V。对于NR 5G信号，则需要考虑PC2 26dBm均值功率以及信号峰均比来计算峰值电压。Amazing针对最高35dBm及36dBm的发射功率，分别推荐

AZ4617-01F和AZ9924-01F等高压，超低电容TVS。            

 

 

由于天线为阻抗变换器件，各个位置阻抗不同，电压也不同，需要精确仿真才能得到各个位置电压。在实际的电路应用中，也可以使用射频信号源和频谱仪测试的方法来验证TVS的启动电压选取是否合适。实验设置如图1，通过射频信号源输出信号经过TVS管，检查频谱仪接收到的信号是否出现功率急剧衰减来判断。由于信号源输出功率的限制和保护频谱仪，我们也可以在线路上加入衰减器(本文实验中衰减器为-60dBm).

 

图1、使用频谱仪测试TVS Set up

 

 

以708MHz频点的测试结果为例，图二的左图，信号源输出26dBm，频谱仪接受到的功率为25.5dBm表示射频信号沒有造成TVS启动，选型正确。图二的右图，信号源输出32dBm，经过TVS之后，只有16.6dBm被频谱仪接收，证明此TVS被触发，不能使用在此32dBm的天线端口。

图2、708MHz时的频谱仪接受结果

 

 

本文针对天线端口的TVS的工作电压和启动电压做了相关的描述，由于RF系统的复杂性高，实际应用可能需要考虑更多因素。Amazing也不断地在开发新产品，以满足客户在天线系统中的各种需求。