Dc和rf传送宽带电涌抑制器的制作方法

专利名称：Dc和rf传送宽带电涌抑制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及电涌保护。更具体地，本发明涉及一种用于传送DC和RF信号的电 涌保护设备。
背景技术：
电涌保护设备保护电子设备不会由于雷击、开关电涌、瞬变、噪声、错误接 线、以及其他异常情况或故障所引起的电源和输电线路上的电流和电压的很大变化而被 损坏。电源和输电线路上的电流和电压的很大变化可能改变电子设备的操作频率范围并 且可能严重损坏和/或损害电子设备。例如，闪电是复杂的电磁能源，其具有潜在估计 从5百万到2亿伏特的电压以及达到可能严重损坏和/或损害电子设备的数千安培的电 流。典型地在现有技术中所发现的并且在保护电子设备中使用的电涌保护设备包括 电容器、二极管、气体管、电感器、以及金属氧化物变阻器。电容器根据电容器的电容 和电流频率而阻断直流电(DC)的流动和允许交流电(AC)的流动。在某些频率，电容器 可使AC信号衰减。例如，电容值越大，则衰减越大。典型地，电容器沿着电源或输电 线路排列以阻断DC信号和不希望的电涌瞬变。气体管包含密封电极，该密封电极在使用期间使气体电离。当气体被电离时， 气体管变成传导的并且击穿电压被降低。击穿电压变化并且取决于电涌的上升时间。因 此，根据电涌，在气体管变成电离之前会逝去若干微秒，从而导致电涌的前段传到电容 器。气体管在一端附连于电源或输电线路并且在另一端附连于接地层以将电涌电流转移 到地。电感器被附连于气体管之后和电容器之前的电源或输电线路以将电涌的前段转 向地。电感器是在空气或铁磁材料的芯子周围具有一个或多个导电材料的绕组的设备以 用于将电感引入到电路中。电感器抵抗电流变化，而电容器抵抗电压变化。常规电涌保护设备的一个缺点是难以使电涌保护设备与系统阻抗匹配。常规电 涌保护设备的另一缺点是会使它们变成导电的升高电压以及更高的吞吐量能级。常规电 涌保护设备的又一个缺点是带宽能力差并且在高功率级RF性能差。

发明内容
一种用于降低标准二极管封装固有的电容并且提高在高电涌情况下的电压钳位 反应速度的电涌保护电路。该电涌保护电路具有其具有第一端和第二端的线圈以及具有顶层、中心二极管结、以及底层的二极管单元。顶层直接连接到线圈的第二端，并且底 层直接连接到地。二极管单元没有引线。一种电涌保护设备包括外壳、外壳所限定的腔、位于腔内的第一和第二连接器 插脚、以及位于腔内的环箔，该环箔具有连接到第一连接器插脚的第一端以及连接到第 二连接器插脚的第二端。该电涌保护设备还可以包括位于腔内的线圈以及连接到外壳的 二极管单元，该线圈具有连接到第一连接器插脚的第一端以及第二端，该二极管单元具 有顶层、中心二极管结、以及底层，顶层直接连接到线圈的第二端，并且底层直接连接 到外壳。一种电涌保护设备具有外壳、外壳所限定的腔、位于腔内的二极管、以及位于 腔内的第一和第二连接器插脚。该电涌保护设备还可以包括位于腔内的环箔以及位于腔 内的电感器 ，该环箔具有连接到第一连接器插脚的第一板、连接到第二连接器插脚的第 二板、以及使第一板连接到第二板的第三弯板，该电感器具有连接到第一连接器插脚的 第一端以及连接到二极管的第二端。


当结合附图进行时，从下面所阐述的详细描述，本发明的特征、目的、以及优 点将变得更显而易见，在附图中图1是根据本发明实施例的电涌保护电路的示意图；图2A-2D是示出根据本发明各种实施例的利用图1的电涌保护电路可以实现的 不同二极管和电容器配置的示意图；图3是根据本发明实施例的具有图1的电涌保护电路的电涌保护设备的顶视 图；图4是根据本发明实施例的图3的电涌保护设备的侧视图；图5是根据本发明实施例的图4的电涌保护设备的二极管的立体图；图6是根据本发明实施例的图4的电涌保护设备的二极管的顶视图；图7是根据本发明实施例的图4的电涌保护设备的二极管的侧视图；图8是根据本发明实施例的环箔的侧视图；图9是根据本发明实施例的环箔的顶视图；图10是根据本发明实施例的环箔的前视图；图11是根据本发明另一实施例的环箔的侧视图；图12是根据本发明另一实施例的环箔的顶视图；图13是根据本发明另一实施例的环箔的前视图；以及图14是根据本发明各种实施例的多个不同连接器的平均RF功率处理能力的曲线 图。
具体实施例方式现在将参考附图描述实现本发明的各种特征的实施例的装置、系统、以及方 法。提供附图以及相关联的描述以说明本发明的一些实施例并且不是限制本发明的范 围。在整个附图中，附图标记重新用于指示参考元件之间的一致性。另外，每个附图标记的第一个数字指示该元件第一次出现的附图。图1是根据本发明实施例的电涌保护电路100的示意图。电涌保护电路100可 以包括第一端口 105、第二端口 110、环箔115、线圈120、二极管125、以及地130。可 选地，电涌保护电路100可以包括电容器135。电涌保护电路100改善了第一端口 105与 第二端口 110之间的RF耦合，使用线圈120和二极管125改善了电压钳位，通过二极管 125改善了电涌电流性能，改善了在更高RF功率级(例如，大于750瓦特)的RF性能并 接地，并且使带宽能力更大。电涌保护电路100可以以双向方式进行操作。第一连接器或端口 105以及第二连接器或端口 110可以包括同轴电缆或线路的中 心连接器插脚106和111。第一端口 105和第二端口 110保持设备与连接终端之间的系统 RF阻抗(例如，50欧姆、75欧姆等等)。第一连接器105和第二连接器110可以从以下 连接器中的一个中选择7/16连接器、N型连接器、BNC连接器、TNC连接器、SMA 连接器、以及SMB连接器。第一连接器105和第二连接器110可以是压接式连接器、法 兰安装(flange-mount)连接器、或者任何其它类型的连接器。图14示出了多个不同连接器的平均RF功率处理能力的曲线图。电涌保护设备 100的组合的RF加DC功率处理能力通常受到所使用的连接器类型的限制。在一个实施 例中，第一连接器105可以是N型连接器并且第二连接器110可以是SMA连接器。在 这个示例中，RF功率处理能力可以被限制为接近350瓦特(即，SMA连接器的功率处理 能力)。返回参考图1，环箔115允许DC电流和RF信号从第一端口 105传到第二端口 110并且反之亦然。环箔115是以“U”或反向“U”形状形成的弯曲铜箔材料。环箔 115是单个整块铜材料，但是为了说明性目的，环箔115将被认为具有第一板115a、第二 板115b、以及第三弯板115c。环箔115的铜材料厚度约为0.016英寸。在一个实施例 中，第一板115a与第二板115b相距约0.2英寸。第一板115a与第二板115b基本上平 行。第三弯板115c使第一板115a连接到第二板115b。电感、互阻抗、以及环箔115在腔310内的定位用于阻抗匹配以对线圈120、二 极管125和腔310的内部RF失配阻抗进行补偿。通过使环箔115位置上更靠近腔310 的壁可以增加设备的电容。通过对环箔115使用较薄材料可以增加设备的电感。通过将 第一板115a和第二板115b移动到更靠近在一起可以增加设备的互阻抗。通过增加环箔 115的电感和互阻抗，可以降低线圈120中所需的大小和匝数，从而导致设计和成本进一 步简化。
线圈120可以是具有一个或多个环的电感。线圈120具有直接附连于中心连接 器插脚106的第一端120a以及直接附连于二极管125的第二端120b。线圈120可以具有 14AWG、16AWG、18AWG、或更大AWG。在一个实施例中，线圈120具有约0.5uH的 电感。线圈120使二极管125与RF传输路径隔离。而且，线圈120添加了中心连接器 插脚与二极管125之间的隔离以与二极管125没有隔离相比可实现更好的无源互调(PIM) 性能。当发生电涌事件(或者高DC电涌电压)时，线圈120有效地变为短路并且二极 管125进行操作以传送电涌事件。二极管125被连接到线圈120和地130。也就是说，二极管125的第一端被连接 到线圈120，并且二极管125的第二端被连接到地130。为了正极性或负极性DC钳位可以对二极管125进行定向。另外，可以使二极管125堆叠以获得更高的电压钳位，同时 保持等同的载流能力。电容器135位置上与二极管125并联。在一个实施例中，电容器135具有约 IOOOpF或更高的电容。电容器135允许能量分流到地130并且防止二极管125被过早导 通。电容器135的大小取决于操作频率并且通常允许用于宽带应用。电容器135为处于 更高功率级的电涌保护电路100提供了更好的RF接地。电涌路径通常包括线圈120、二 极管125、以及电容器135。图2A-2D是示出根据本发明的各种实施例的利用图1的电涌保护电路可以实现 的不同二极管和电容器配置的示意图。电容器135可以或不可以实现在电涌保护电路100 中。二极管125具有优良的电压钳位特性。图2A示出了单向二极管，图2B示出了双 向二极管，图2C示出了按照串行配置堆叠的多个单向二极管，并且图2D示出了单向二 极管。 在一个实施例中，二极管125可以是能够利用极好的电压让通(let-thru)特性来 处理IOkA 8x20微秒电涌电流的低电压双向二极管。在一个实施例中，二极管125可以 是具有在约5.0-150.0伏特(例如6、12、18、或者24伏)之间的击穿电压以及额定高峰 值脉冲功率(例如，5000、20000或30000瓦特)的双向高电流瞬变电压抑制器(TVS) 二 极管。通过使用线圈120将二极管125与RF传输路径隔离，减轻了二极管125的负RF 影响(例如，电容)。线圈120的高频(RF)隔离特性增加了观察线圈120和二极管125 的阻抗，而低频(DC和电涌)组件具有至二极管125的低阻抗路径。图3和4是根据本发明实施例的具有图1的电涌保护电路的电涌保护设备300的 顶视图和侧视图。参考图3和4，电涌保护设备300具有外壳305和由外壳305所限定的 腔310。腔310的形状可以形成为圆形(如图所示)、卵形、椭圆形、正方形、以及长方 形。环箔115位于腔310之内。环箔115与外壳305不直接接触而是连接在中心连接器 插脚106与111之间。线圈120也位于腔310之内并且被连接到中心连接器插脚106和 二极管125。在一个实施例中，二极管125被连接到基板315或腔310的底板。电涌保护设备300具有在约300Hz至5GHz范围内的各种频率特性带。大于或等 于20dB的回波损耗以及小于或等于O.ldB的插入损耗例如从接近700MHz到2400MHz。 在例如接近1400MHz和1600MHz之间的窄带内可以实现大于50dB的回波损耗。图5、6和7是根据本发明实施例的图4的电涌保护设备的二极管的立体图、顶 视图和侧视图。在一个实施例中，二极管125可以是具有三个层505、510和515的二极 管单元500。中心二极管结或层510可以夹在顶部与底部金属层505与515之间。二极 管单元500不具有任何引线，从而在高电涌情况下降低了电感并且提高了电压钳位。线 圈120的第二端120b直接附连于二极管单元500的顶部金属层505。二极管单元500的 底部金属层515直接附连于地130。没有引线用于将二极管单元500连接到线圈120或地 130。在一个实施例中，二极管单元500可以具有约9.40mm的长度Li、约9.40mm的 宽度W1、以及约1.29mm的厚度Tl。二极管125可以是按照并联电路配置的两个或多个 二极管。二极管单元500可以包括用于安装到外壳305的孔520。如果不存在孔520， 则可以将二极管单元500安装或焊接在底板315上以便于二极管125接地至外壳305。
图8、9和10是根据本发明实施例的环箔115的侧视图、顶视图和前视图。在 该实施例中，H2约为15.875mm，L2约为22.36mm，W2约为8.89mm，并且T2约为 0.41mm。当端部连接器相同时环箔115是对称的。也就是说，L3和L4具有约11.18mm 的相同长度。图11、12和13是根据本发明另一实施例的环箔115的侧视图、顶视图和前视 图。在这个实施例中，H2约为15.875mm，L2约为22.36mm，W2约为8.89mm，并且 T2约为0.41mm。因为一个连接器是SMA连接器并且一个连接器是N型连接器，因此 L3和L4具有不同长度。也就是说，L3约为11.53mm并且L4约为10.06mm。每个系 列的连接器(N或SMA等等)被制造用于同轴线路的公式所通用的固定阻抗(例如，50 欧姆)，该公式是包括插脚直径、连接器套管内径、以及支撑介质介电常数的关系。两个 连接器的 物理大小明显不同，而保持相同阻抗。由于这种物理差异，因此L3和L4必须 变化以与腔阻抗匹配。当使用同一系列但不同种类(gender)的连接器时实际上存在一些 差异，因为实际中心插脚长度变化了。与L3和L4通常是相同的这种情况下的非相似系 列连接器相比，这种变化较不显著。提供了对所公开示例的先前描述以使得本领域普通技术人员能够制造或使用所 公开的方法和装置。对这些示例的各种修改对于本领域技术人员来说是显而易见地，并 且在不脱离所公开的方法和装置的精神或范围的情况下这里所定义的原理可以应用于其 他示例。所描述的实施例应当被认为在所有方面仅仅是说明性的而并非限制性的，并且 因此，本发明的范围由权利要求而不是由先前描述来指示。在权利要求的等效体的含义 和范围之内的所有变化都应当包含在其范围之内。
权利要求
1.一种用于降低标准二极管封装固有的电容并且提高在高电涌情况下的电压钳位反 应速度的电涌保护电路，所述电涌保护电路包括线圈，所述线圈具有第一端和第二端；以及二极管单元，所述二极管单元具有顶层、中心二极管结和底层，所述顶层直接连接 到所述线圈的第二端并且所述底层直接连接到地，其中所述二极管单元没有引线。
2.根据权利要求1所述的电涌保护电路，进一步包括第一端口，所述第一端口连接到所述线圈的第一端，用于接收DC电流和RF信号；环箔，所述环箔具有第一板和第二板，所述第一板连接到所述第一端口，用于传送 DC电流和RF信号；以及第二端口，所述第二端口连接到所述第二板。
3.根据权利要求2所述的电涌保护电路，其中，所述第一端口是N型连接器并且所述 第二端口是SMA型连接器，并且其中所述第一板具有比所述第二板更小的长度。
4.根据权利要求2所述的电涌保护电路，其中，所述环箔具有将所述第一板连接到所 述第二板的第三弯板，所述第一板基本上平行于所述第二板而放置。
5.根据权利要求4所述的电涌保护电路，其中，所述环箔由以U或反向U形状形成 的铜材料制成的。
6.根据权利要求1所述的电涌保护电路，进一步包括按照与所述二极管单元并联配置 连接的电容器。
7.根据权利要求1所述的电涌保护电路，其中，所述二极管单元包括按照串联配置堆 叠的多个二极管。
8.根据权利要求1所述的电涌保护电路，其中，所述二极管单元是具有在约5伏和约 150伏之间的击穿电压以及高达30,000瓦特的额定峰值脉冲功率的双向高电流瞬变电压抑制器二极管。
9.根据权利要求1所述的电涌保护电路，进一步包括具有第一板、第二板和第三板的 环箔，其中所述第三板连接在所述第一板与所述第二板之间，所述第一板位置上基本上 平行于第二板而放置，并且所述环箔被配置成传送DC电流和RF信号。
10.根据权利要求9所述的电涌保护电路，其中，所述环箔由以成U或反向U形状形 成的铜材料制成。
11.一种电涌保护设备，包括夕卜壳；由所述外壳限定的腔；位于所述腔内的第一和第二连接器插脚；位于所述腔内的环箔，所述环箔具有连接到所述第一连接器插脚的第一端和连接到 所述第二连接器插脚的第二端；位于所述腔内的线圈，所述线圈具有连接到所述第一连接器插脚的第一端，和第二 端；以及二极管单元，所述二极管单元具有顶层、中心二极管结和底层，所述顶层直接连接 到所述线圈的第二端并且所述底层直接连接到所述外壳。
12.根据权利要求11所述的电涌保护设备，其中，所述环箔由以U或反向U形状形成的铜材料制成。
13.根据权利要求11所述的电涌保护设备，进一步包括按照与所述二极管单元并联配 置连接的电容器。
14.根据权利要求11所述的电涌保护设备，其中，所述二极管单元包括按照串联配置 堆叠的多个二极管。
15.根据权利要求11所述的电涌保护设备，其中，所述二极管单元是具有在约5伏和 约150伏之间的击穿电压以及最多30,000瓦特的额定峰值脉冲功率的双向高电流瞬变电 压抑制器二极管。
16.—种电涌保护设备，包括夕卜壳；由所述外壳限定的腔；位于所述腔内的二极管；位于所述腔内的第一和第二连接器插脚；位于所述腔内的环箔，所述环箔具有连接到所述第一连接器插脚的第一板、连接到 所述第二连接器插脚的第二板、和将所述第一板连接到所述第二板的第三弯板；位于所述腔内的电感器，所述电感器具有连接到所述第一连接器插脚的第一端以及 连接到所述二极管的第二端。
17.根据权利要求16所述的电涌保护设备，其中，所述环箔由以U或反向U形状形 成的铜材料制成。
18.根据权利要求16所述的电涌保护设备，进一步包括按照与所述二极管并联配置连 接的电容器。
19.根据权利要求16所述的电涌保护设备，其中，所述二极管包括按照串联配置堆叠 的多个二极管。
20.根据权利要求16所述的电涌保护设备，其中，所述二极管是具有顶层、中心二极 管结和底层的二极管单元，所述顶层直接连接到所述电感器的第二端并且所述底层直接 连接到所述外壳。
全文摘要
一种用于降低标准二极管封装固有的电容并且提高在高电涌情况下的电压钳位反应速度的电涌保护电路。该电涌保护电路具有其具有第一端和第二端的线圈以及具有顶层、中心二极管结和底层的二极管单元。顶层直接连接到线圈的第二端，并且底层直接连接到地。二极管单元没有引线。
文档编号H02H1/04GK102027651SQ200880129185
公开日2011年4月20日 申请日期2008年10月31日 优先权日2008年5月19日
发明者克里斯·潘威尔, 卡尔·C·巴特尔 申请人:特兰斯泰克塔系统公司