固態(tài)開關(guān)結(jié)構(gòu)緊湊（可以芯片化），開關(guān)速度快（ns級(jí)），是微波電路中非常重要的器件，微波調(diào)制器，移相器，數(shù)控衰減器，捷變頻綜，信道選擇等都離不開固態(tài)開關(guān)。固態(tài)開關(guān)由于使用功率，帶寬，頻率等不同,結(jié)構(gòu)種類繁多。個(gè)人在開關(guān)上經(jīng)驗(yàn)有限，我盡可能把我理解到的固態(tài)開關(guān)的概念表述出來(lái)，有出入也請(qǐng)諒解。關(guān)于開關(guān)計(jì)劃寫兩期，第一期偏重于仿真設(shè)計(jì)和科普性質(zhì)；第二期偏重于講解開關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)間的設(shè)計(jì)權(quán)衡。

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1.核心器件PIN管特性

固態(tài)開關(guān)的結(jié)構(gòu)形式見圖 1所示，由驅(qū)動(dòng)電路和PIN管組成，驅(qū)動(dòng)電路可以提供PIN管適當(dāng)?shù)目刂齐妷汉碗娏?，合理的設(shè)計(jì)可以提高切換速度。PIN管是實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)通斷的核心部件，了解PIN管特性是合理設(shè)計(jì)微波開關(guān)的關(guān)鍵。

圖1 固態(tài)開關(guān)及PIN管的結(jié)構(gòu)形式

我們從skyworks官網(wǎng)上可以看到一個(gè)裸芯片式的典型的PIN管具有圖 2所示的特性。

圖2 PIN管的典型參數(shù)

可以看到PIN管根據(jù)加電方式具有兩種狀態(tài)：

·正向?qū)〞r(shí)等效一個(gè)非常小的電阻（約1歐@10mA），近似短路。

·PIN管在反向關(guān)斷時(shí)等效一個(gè)非常小的電容（約0.2pf@-5V），近似開路

教科書及官方網(wǎng)站對(duì)PIN管的等效電路如圖 3所示，詳細(xì)的對(duì)PIN管的特性分析可以參考《微帶電路》第八章的內(nèi)容和skyworks《Design With PIN Diodes》及《PIN Diode Basics》的介紹。

圖3 PIN管在正向和反相工作時(shí)的等效電路

開關(guān)就是利用了PIN管在正反加電時(shí)對(duì)微波信號(hào)呈現(xiàn)的不同阻抗來(lái)實(shí)現(xiàn)的，設(shè)計(jì)開關(guān)實(shí)際上變成了對(duì)反向時(shí)的電容和正向時(shí)的電阻的寬帶匹配問題。

從skyworks的官網(wǎng)中下載帶有封裝的SMP1322-CSP的等效電路如圖 4所示。

圖4 帶封裝的PIN管等效電路

帶有封裝的PIN管等效電路中含有寄生的引線電感、封裝電感及封裝電容。這些寄生效應(yīng)在精確設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮。低頻工作及非精確設(shè)計(jì)時(shí)完全可以忽略。

2.固態(tài)開關(guān)的基本結(jié)構(gòu)

微波開關(guān)的結(jié)構(gòu)形式教科書上講的比較多，詳細(xì)的可以參考《微帶電路》一書，但無(wú)論如何變化都只是圖 5所示的簡(jiǎn)單串并結(jié)構(gòu)的組合。用微波信號(hào)在各節(jié)點(diǎn)能量流動(dòng)的方式比較容易理解開關(guān)的工作方式。

·正向偏置時(shí)PIN管近似短路，串聯(lián)使用時(shí)開關(guān)直通，并聯(lián)使用時(shí)微波信號(hào)流向大地開關(guān)關(guān)斷；反向偏置時(shí)PIN管對(duì)微波信號(hào)近似開路，串聯(lián)使用時(shí)微波信號(hào)不能傳輸實(shí)現(xiàn)關(guān)斷，并聯(lián)使用時(shí)微波信號(hào)流向負(fù)載實(shí)現(xiàn)直通；
·扼流電感對(duì)微波信號(hào)的高阻范圍影響PIN管的開關(guān)帶寬，超寬帶開關(guān)中合理設(shè)計(jì)扼流電感比較關(guān)鍵；
·串聯(lián)PIN管的焊盤間存在耦合，會(huì)影響關(guān)斷隔離度；
·串聯(lián)管一般安裝在PCB板的焊盤上，相對(duì)來(lái)說導(dǎo)熱較差，不適合用在大功率場(chǎng)合，所以大功率開關(guān)一般不使用串聯(lián)管；并聯(lián)管的一端一般導(dǎo)電膠直接粘接在金屬腔體上散熱好，可以用在大功率場(chǎng)合。
·PIN固體開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)小功率控制大功率，特別是反向偏置工作時(shí)反向偏置電壓可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于微波信號(hào)的峰峰值，原因計(jì)劃在第二篇中詳細(xì)說明。

圖5 PIN管的兩種使用結(jié)構(gòu)

3.超寬帶固態(tài)開關(guān)的設(shè)計(jì)實(shí)例

一個(gè)典型的超寬帶固態(tài)開關(guān)的原理圖如圖 6所示，采用串并結(jié)構(gòu)，公共接口采用串聯(lián)管可以方便實(shí)現(xiàn)關(guān)斷路的開路隔離，分支路上采用并聯(lián)管可以根據(jù)隔離要求適當(dāng)靈活增加并聯(lián)管數(shù)量。

圖6 典型超寬帶開關(guān)的原理及典型電路結(jié)構(gòu)圖

1) 電路原理仿真

實(shí)例選用skyworks的梁氏引線管DSM8100-000作為串聯(lián)管，APD0805-000作為并聯(lián)管進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的SP3T開關(guān)設(shè)計(jì)，兩個(gè)管子的詳細(xì)參數(shù)如圖 7所示。

圖7 兩個(gè)PIN管的核心參數(shù)

根據(jù)PIN管開通關(guān)斷時(shí)對(duì)微波信號(hào)的等效電阻，電容模型，建立SP3T開關(guān)的電路原理模型見圖 8所示。

圖8 SP3T開關(guān)仿真模型

設(shè)計(jì)這個(gè)原理圖有下列幾點(diǎn)考慮：

·單獨(dú)考慮公共節(jié)點(diǎn)工作時(shí)有兩個(gè)電容并聯(lián)到地，該結(jié)構(gòu)適合采用高低阻抗低通原理進(jìn)行匹配，所以在公共路上采用了高低阻抗枝節(jié)進(jìn)行了低通式匹配。

·第一路工作時(shí)，2,3路在公共節(jié)點(diǎn)處的阻抗應(yīng)該維持為開路，所以必須保持圖 8中藍(lán)色陰影框中的部分處在高阻抗態(tài)，因此串聯(lián)管和并聯(lián)管間的傳輸線長(zhǎng)度不能過長(zhǎng)，過長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生串聯(lián)諧振影響開關(guān)工作。

基于以上兩點(diǎn)的考慮，設(shè)計(jì)完成的原理圖仿真結(jié)果見圖 9所示。

圖9 SP3T開關(guān)原理仿真結(jié)果

2)電磁仿真

根據(jù)原理仿真的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在電磁仿真軟件中建立模型對(duì)開關(guān)進(jìn)行電磁仿真，個(gè)人習(xí)慣對(duì)平面電路在sonnet中進(jìn)行電磁仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)構(gòu)見圖 10所示（圖中對(duì)bonding線進(jìn)行了近似模擬），由于電磁仿真結(jié)構(gòu)中無(wú)法添加直接到地的元件，因此必須另外建立一個(gè)網(wǎng)表仿真文件將并聯(lián)管的等效特性加入到電路中。

圖10 sonnet中開關(guān)電磁仿真結(jié)構(gòu)

經(jīng)過一次仿真結(jié)果見圖 11所示，可以看到仿真圖中在高頻約17.8GHz處有串聯(lián)諧振發(fā)生，因此必須減小串聯(lián)管和并聯(lián)管間的傳輸線長(zhǎng)度來(lái)避免諧振現(xiàn)象發(fā)生，將改長(zhǎng)度從2mm調(diào)整至1.8mm，重新仿真結(jié)果見圖 12所示。

圖 11      SP3T開關(guān)電磁仿真結(jié)果

圖 12      調(diào)整后的SP3T仿真結(jié)果

這里的電磁仿真結(jié)構(gòu)中沒有考慮扼流線圈的影響，因此在低頻段開關(guān)也能工作的很好，但由于扼流線圈的存在，實(shí)際的開關(guān)不可能工作在這么理想的帶寬里。扼流線圈小，低頻段工作就要受影響。扼流線圈大由于自身的寄生電容效應(yīng)高頻處就無(wú)法達(dá)到理想狀態(tài)，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)中扼流線圈的設(shè)計(jì)也非常重要。

由于篇幅有限，固體開關(guān)設(shè)計(jì)時(shí)的指標(biāo)權(quán)衡將在第二篇中進(jìn)行詳細(xì)介紹。

作者：趙 強(qiáng) 微信：q_zhao_ls 聯(lián)系方式：18180564516