關(guān)于同軸及以太網(wǎng)防浪涌保護的分析和介紹

在對建筑物進行防浪涌保護時，大部分的雷擊浪涌必須實施引流，然而仍會有部分雷電殘留在內(nèi)部設(shè)備，因此這部分的防雷保護也尤為重要。

雷電，對于公共建筑、住宅以及城市內(nèi)的電子系統(tǒng)會造成直接和間接的影響。直接雷擊不但存在能夠摧毀生命的高風險威脅，其生成的巨大瞬態(tài)電流所產(chǎn)生的電磁場會對設(shè)備造成永久性損傷。地球每年都會遭受超過10億次雷擊，平均來看，雷電電壓在瞬間約向地表施加50萬焦耳能量，，因而防雷保護至關(guān)重要。從基站到下游的數(shù)據(jù)中心，所采用的具體防雷措施都不盡相同。本文將要剖析的是同軸和以太網(wǎng)互連系統(tǒng)所涉及到的浪涌保護器。

防雷保護標準

IEC/BS EN 62305防雷保護標準將雷擊風險分為三類：直接雷擊，間接雷擊，雷擊產(chǎn)生的電磁能量。如表1所示，在進行防雷規(guī)劃時，首先應將各個涉及到的區(qū)域按不同風險等級，或者按防雷區(qū)塊（Lightning Protection Zone/LPZ），以及所對應的由雷擊引發(fā)的損害進行劃分。上述標準將雷擊可能導致的損害同樣分為三類：1）活體傷害；2）結(jié)構(gòu)物理性損壞；3）內(nèi)部系統(tǒng)失效。通常情況下，如防雷區(qū)塊涉及到任何潛在人員傷害，在該區(qū)塊必須設(shè)置多層預防措施：例如，醫(yī)院需要在外部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部設(shè)備兩個層面設(shè)置大量緩沖設(shè)施，以確保生命安全。

美國保險商實驗室（Underwriter’s Laboratory）針對浪涌保護中采用的設(shè)備列舉了多項防雷措施標準（見表2）。其中，UL1449（浪涌保護器標準）詳細描述了對于各種系統(tǒng)供電方式下，瞬態(tài)電壓不同的電氣路徑所需采取的保護模式。

終端設(shè)備的供電一般采用單相或多相交流電。當設(shè)備在單根火線和零線（本地地線）之間接入時，即為單相交流供電。三相系統(tǒng)需要連接三根相線和零線。如表3所示，對于任何導電路徑組合而言，但凡其可能發(fā)生電勢差，就需要在該組合的路徑之間設(shè)置浪涌保護。產(chǎn)品說明書中經(jīng)常以相零（L-N）保護、相地（L-G）保護及相相（L-L）保護等詞描述浪涌保護器的保護模式。此外，保護模式還可稱為為共模或差模浪涌保護。

當類似于零地（N-G）節(jié)點等浪涌對區(qū)域內(nèi)的所有導體產(chǎn)生同等影響時，即稱為共模浪涌。差模浪涌，則發(fā)生在給定位置上的任意兩個導體之間，也稱普通浪涌或相線與零線間浪涌。當前的大多數(shù)設(shè)備本身具備抗共模浪涌能力。依照美國國家標準（ANSI）C62.41所述，大多數(shù)的共模浪涌來自建筑物，且建筑物內(nèi)的共模浪涌最大值僅為0.17焦耳，而差模浪涌則要高出若干個數(shù)量級。

浪涌保護器類型

同軸浪涌保護器
戶外應用中所使用的同軸部件須同時承受直接和間接雷擊，從而對整條傳輸線以及所有接入的電路產(chǎn)生不利影響。從真空管到固態(tài)電子設(shè)備的轉(zhuǎn)換，尤其在變送器一端的轉(zhuǎn)換，會進一步擴大由雷擊所引發(fā)的風險——殘留瞬態(tài)電壓浪涌將很容易對敏感的集成電路造成破壞。

N型母頭/公頭射頻同軸浪涌保護器，DC – 7 GHz，通直，氣體放電管

趨膚效應，是指隨著頻率增大，大部分信號將趨于集中在導體外部邊緣的一種現(xiàn)象。在大多數(shù)交流（AC）狀態(tài)下，電子可以在整個導體內(nèi)自由遷移，然而，由于趨膚效應的存在，射頻（RF）信號在導體內(nèi)的穿透深度通常不超過數(shù)個千分之一英寸。在設(shè)計同軸電纜時的指標之一是能夠最大限度地減少目標高頻信號因趨膚效應而發(fā)生歐姆損耗，并同時防止外部導體（或屏蔽層）對內(nèi)部信號產(chǎn)生干擾?；谶@一設(shè)計目標， 通過將常規(guī)的大直徑60 Hz接地電纜碾平，再將其包覆在用于傳輸高頻信號的中心導體周圍，由此形成同軸電纜；而同軸電纜的外部屏蔽層作為法拉第罩，可防止外界干擾觸及內(nèi)部信號線，在未接地的情況下，屏蔽層將產(chǎn)生電壓，其作用近似于信號發(fā)射天線。然而，一旦遭遇雷擊，同軸電纜內(nèi)外導體間將隨即產(chǎn)生電勢差——這樣精細的平衡便被瞬間打破。除此以外，由于雷擊浪涌中大部分能量處于DC – 1 MHz，這正是極易被同軸電纜承載的頻率，因此其可在同軸電纜所連接的電子設(shè)備工作頻率中引入破壞性變化。
由于雷電頻率相對較低，同軸避雷保護器的工作原理更近似于隔直器或高通濾波器：將直流以及低頻50/60 Hz電壓引導至屏蔽地線。氣體管浪涌保護器在工作時，如浪涌過大無法分流，電流將使得熔斷器斷開，從而阻斷浪涌保護器與屏蔽地線之間的電氣路徑（見示意圖1）。

見示意圖1

在分布式天線系統(tǒng)中進行防浪涌保護時，還必須考慮采用具備低無源互調(diào)（PIM）性能的部件。無源互調(diào)（PIM）屬于一項主要干擾源，且難以消除。在高度敏感的射頻系統(tǒng)中，處于高功率狀態(tài)下的無源器件所產(chǎn)生的頻率與目標信號混頻且相互干擾，進而產(chǎn)生PIM。

4.3-10公頭/母頭射頻同軸浪涌保護器，698MHz - 2.7 GHz，隔直，-173 dBc低PIM

由PIM所引發(fā)的問題通常難以消除，其原因在于，當大規(guī)模使用無源器件時，無法在不影響原始載波信號的條件下將PIM濾除。因此基于成本考慮，為排除PIM干擾，系統(tǒng)安裝只能采用低PIM部件。這一類部件的導體材料都經(jīng)過精心挑選，確保在配接時不產(chǎn)生顯著PIM水平；鐵磁材料作為PIM的常見來源，在制造低PIM部件過程中會盡量減少使用。

浪涌保護器類型

以太網(wǎng)浪涌保護器

以太網(wǎng)干線是數(shù)據(jù)中心中最常見的布線系統(tǒng)，因此必須對其進行防浪涌保護，以防止可造成數(shù)百萬美元損失的宕機。艾默生-波耐蒙研究所（Emerson and Ponemon Institute）關(guān)于宕機損失評估的研究結(jié)果表明，截止2016年，數(shù)據(jù)中心因計劃外斷電所造成的平均成本增加幾近每分鐘9千美元，并且這一數(shù)字仍在逐年遞增。盡管這一計劃外斷電的主要成因是人為失誤和不間斷供電設(shè)備（約占50%），然而由于直接和間接雷擊導致的意外浪涌會造成無法預見的破壞，因此針對此類浪涌的防御陣線不可或缺。

戶外超6類10/100/1000/10000 Base-T級浪涌保護器

數(shù)據(jù)中心設(shè)備

遠程雷擊、電動機、發(fā)電機的電源浪涌，甚至太陽耀斑等自然地磁擾動都會在設(shè)備和電源之間的饋電線路中產(chǎn)生電壓瞬變。數(shù)據(jù)中心需要采用多種形式的瞬態(tài)電壓浪涌抑制手段。通常，開關(guān)裝置是數(shù)據(jù)中心分流電源浪涌的第一道防線；不間斷供電設(shè)備則是另一種主要的瞬態(tài)電壓浪涌抑制手段，當發(fā)生電源失效等緊急情況時，通過飛輪或電池（取決于不間斷供電設(shè)備的類型）可瞬間向計算機和數(shù)據(jù)存儲設(shè)備實現(xiàn)電力供應。此外，對于巨大能量的分流還需要采用常用的散熱手段。而用于配電裝置的浪涌保護器，在具備防浪涌保護能力的同時，還必須滿足不生成煙霧，不會發(fā)生爆炸等安全條件。

數(shù)據(jù)中心互連（DCI）的

浪涌保護

隨著追求更快速率的以太網(wǎng)通信線路不斷問世，對于抑制微小電壓浪涌的需求也日益增加。布線密度越來越大，大量數(shù)據(jù)中心已在日趨緊張的空間和規(guī)格限制下捉襟見肘——用來為40 Gbps吞吐量的QSFP+收發(fā)器供電的3.5W電源仍舊正常工作，用來為吞吐量高達100 Gbps的QSFP28收發(fā)器進行供電，然而，前代的10Base-T接口所能承受的浪涌或?qū)е滦率?00Base-T及以上接口遭到破壞。為了維持較低成本，以太網(wǎng)接口如今已集成至主PCB上，這進一步加大了敏感的內(nèi)部電路被損壞的風險。微電子集成電路會在晶體管這一層面上受到影響，原因在于晶體管的輸入線路容易受到靜電放電的影響。正因如此，盡管成本較高，建筑物內(nèi)部及校園設(shè)施內(nèi)部普遍采用光纖通信。直接進行銅纜接入易受電磁干擾影響，當鏈路距離較短時，許多數(shù)據(jù)中心甚至已采用有源光纜代替銅纜，從而嘗試將數(shù)據(jù)中心設(shè)備的噪聲源最小化。
由此可見，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)線路的浪涌保護對于數(shù)據(jù)中心的正常運行至關(guān)重要。另一方面，以太網(wǎng)浪涌保護器因本身具有一定的電容，從而會造成失真，這一失真可對數(shù)據(jù)產(chǎn)生干擾，導致代價高昂的傳輸延遲。因此，必須在采用低電容部件和提升電路對于高能浪涌的處理能力之間做出權(quán)衡——微電子集成電路的3.3V供電線路要求信號線路的電容小于5皮法，且需要達到1.2焦耳的能量處理能力。此外，PCB布局的限制也會造成性能退化，即使細微的不連續(xù)性也可能導致信號衰減、相位失真及共模抑制性能下降。為了對電纜和所接入設(shè)備進行充分保護，可在線路兩端分別連接保護器。但是，這一操作無疑會增加信號傳輸?shù)牟迦霌p耗，并增大在線路中引入接地環(huán)路的可能性。采用多級浪涌保護器，就能夠盡可能減少信號損失，大幅提高保護水平（見示意圖2）。

見示意圖2

PoE系統(tǒng)的保護

以太網(wǎng)供電（PoE）是一種通過雙絞線以太網(wǎng)布線系統(tǒng)同時實現(xiàn)電力和數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)，目前常用于智能安防攝像系統(tǒng)。與閉路電視中所使用的接入同軸電纜的攝像頭相比，智能攝像頭在分辨率上有了大幅提升。此外，由于這類攝像頭的模塊化程度更高，可用作獨立設(shè)備，而模擬攝像頭則必須與數(shù)字視頻記錄儀相連。智能攝像頭多被用于工業(yè)過程監(jiān)控，以及車載圖像處理等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。然而，電源浪涌會引發(fā)整個PoE系統(tǒng)停機，從而造成巨大安防風險。因此，當下對于PoE的電源浪涌保護極其重要。

戶外PoE中跨/供電器，大功率6類浪涌保護器

PoE系統(tǒng)通過單根線路同時實現(xiàn)電力傳輸和數(shù)據(jù)通信，該線路中包括8條通路，通常其中的4條用于設(shè)備供電，另外4條用于傳輸數(shù)據(jù)。IEEE標準802.3規(guī)定，電力可通過以下三種方式傳輸至受電設(shè)備：端點PSE（供電設(shè)備）；中跨PSE；延伸PSE。端點PSE直接將電源電力和數(shù)據(jù)經(jīng)由基于以太網(wǎng)的交換機或集線器發(fā)送給受電設(shè)備；中跨PSE（或稱PoE供電器）使用非PoE類交換機提供電力和數(shù)據(jù)；延伸PSE非常簡單，其僅為范圍延伸后的端點PSE。

PoE互連件和受電設(shè)備都必須能夠承受超出UL標準規(guī)定的靜電放電和電力瞬變。例如“門禁控制系統(tǒng)單元”的UL標準規(guī)定，各部件（即電源、門控制器及讀卡器）必須能夠抑制輸出電路上2400V/12A的浪涌——對于低電容浪涌保護而言，這一要求較難實現(xiàn)。因此，需要同時在PoE交換機或PoE供電器及下游連接的攝像頭、讀卡器或門鎖偵測器等受電設(shè)備設(shè)置瞬態(tài)電壓保護。

要實現(xiàn)這一保護操作，常規(guī)方式是采用由瞬態(tài)電壓抑制二極管組成的電路來引發(fā)雪崩擊穿——雪崩擊穿指的是一種允許極高電流在材料內(nèi)流過的現(xiàn)象。晶閘管浪涌保護器是另一類雪崩觸發(fā)二極管，并具備更強的功率處理能力：因這類二極管實為在導通狀態(tài)下具備較低電阻的撬棒，其可在保持一定電容的同時承載較大電流。由于晶閘管浪涌保護器在浪涌處理后需要進行電源復位，因此一般不適用于高電壓低速信號線路；而在高功率直流系統(tǒng)中，瞬態(tài)電壓抑制二極管是最佳選擇。

PoE設(shè)備考量因素

即使在已設(shè)置浪涌保護器的情況下，受電設(shè)備的額定電壓也必須遠高于瞬態(tài)電壓抑制二極管或晶閘管浪涌保護器的鉗位電壓：例如，可承受數(shù)千伏電壓的瞬態(tài)電壓抑制二極管在接近100伏時才發(fā)生雪崩擊穿，受電設(shè)備具備足夠高的額定電壓才可確保其不會因為頻繁發(fā)生小規(guī)模瞬態(tài)電壓高峰而損壞。
在通常情況下，用于給受電設(shè)備進行供電的電源均配置絕緣的DC-DC轉(zhuǎn)換器，由此，因帶電導體暴露在外進而造成用戶傷害及發(fā)生接地環(huán)路的風險能夠得以最大程度降低。此外，因電纜屏蔽層與安全地線具有不同電勢，為了避免發(fā)生接地環(huán)路，也可能需要將浪涌保護器與電纜屏蔽層間進行絕緣。還需要注意的一項要點是，PoE浪涌保護器可分為模式A兼容（電源引腳：1/2和3/6）和模式B兼容（電源引腳：4/5和7/8），一般而言，大多數(shù)支持PoE的交換機屬于模式A設(shè)備，而供電器則為模式B設(shè)備。然而，某些浪涌保護器可同時為模式A和模式B兼容。

作為一類不可或缺的關(guān)鍵性部件，浪涌保護器被廣泛應用于各個領(lǐng)域，以用來減少直接或間接雷擊所造成的負面影響。雖然，在防雷應用中，保護生命個體免受傷害依舊是首要方向，但在當下由于固態(tài)部件不斷趨向高敏感度發(fā)展，雷擊的高能浪涌會對這類部件造成嚴重損壞。而針對這一類固態(tài)部件的防雷措施，不僅涉及更為細化的感應電壓和電流瞬變保護，同時還需要采用具備低電容性能的浪涌保護器，以保持高速數(shù)據(jù)速率。因此，對于建筑物而言，除了將大部分的雷擊浪涌進行引流之外，針對內(nèi)部設(shè)備中殘留雷電的防護同樣不可或缺！僅能夠承受較小浪涌的傳統(tǒng)技術(shù)如今已大規(guī)模被電路速度更快、公差更加小的新進技術(shù)取代。