关于同轴及以太网防浪涌保护的分析和介绍

在对建筑物进行防浪涌保护时，大部分的雷击浪涌必须实施引流，然而仍会有部分雷电残留在内部设备，因此这部分的防雷保护也尤为重要。

雷电，对于公共建筑、住宅以及城市内的电子系统会造成直接和间接的影响。直接雷击不但存在能够摧毁生命的高风险威胁，其生成的巨大瞬态电流所产生的电磁场会对设备造成永久性损伤。地球每年都会遭受超过10亿次雷击，平均来看，雷电电压在瞬间约向地表施加50万焦耳能量，，因而防雷保护至关重要。从基站到下游的数据中心，所采用的具体防雷措施都不尽相同。本文将要剖析的是同轴和以太网互连系统所涉及到的浪涌保护器。

防雷保护标准

IEC/BS EN 62305防雷保护标准将雷击风险分为三类：直接雷击，间接雷击，雷击产生的电磁能量。如表1所示，在进行防雷规划时，首先应将各个涉及到的区域按不同风险等级，或者按防雷区块（Lightning Protection Zone/LPZ），以及所对应的由雷击引发的损害进行划分。上述标准将雷击可能导致的损害同样分为三类：1）活体伤害；2）结构物理性损坏；3）内部系统失效。通常情况下，如防雷区块涉及到任何潜在人员伤害，在该区块必须设置多层预防措施：例如，医院需要在外部结构和内部设备两个层面设置大量缓冲设施，以确保生命安全。

美国保险商实验室（Underwriter’s Laboratory）针对浪涌保护中采用的设备列举了多项防雷措施标准（见表2）。其中，UL1449（浪涌保护器标准）详细描述了对于各种系统供电方式下，瞬态电压不同的电气路径所需采取的保护模式。

终端设备的供电一般采用单相或多相交流电。当设备在单根火线和零线（本地地线）之间接入时，即为单相交流供电。三相系统需要连接三根相线和零线。如表3所示，对于任何导电路径组合而言，但凡其可能发生电势差，就需要在该组合的路径之间设置浪涌保护。产品说明书中经常以相零（L-N）保护、相地（L-G）保护及相相（L-L）保护等词描述浪涌保护器的保护模式。此外，保护模式还可称为为共模或差模浪涌保护。

当类似于零地（N-G）节点等浪涌对区域内的所有导体产生同等影响时，即称为共模浪涌。差模浪涌，则发生在给定位置上的任意两个导体之间，也称普通浪涌或相线与零线间浪涌。当前的大多数设备本身具备抗共模浪涌能力。依照美国国家标准（ANSI）C62.41所述，大多数的共模浪涌来自建筑物，且建筑物内的共模浪涌最大值仅为0.17焦耳，而差模浪涌则要高出若干个数量级。

浪涌保护器类型

同轴浪涌保护器
户外应用中所使用的同轴部件须同时承受直接和间接雷击，从而对整条传输线以及所有接入的电路产生不利影响。从真空管到固态电子设备的转换，尤其在变送器一端的转换，会进一步扩大由雷击所引发的风险——残留瞬态电压浪涌将很容易对敏感的集成电路造成破坏。

N型母头/公头射频同轴浪涌保护器，DC – 7 GHz，通直，气体放电管

趋肤效应，是指随着频率增大，大部分信号将趋于集中在导体外部边缘的一种现象。在大多数交流（AC）状态下，电子可以在整个导体内自由迁移，然而，由于趋肤效应的存在，射频（RF）信号在导体内的穿透深度通常不超过数个千分之一英寸。在设计同轴电缆时的指标之一是能够最大限度地减少目标高频信号因趋肤效应而发生欧姆损耗，并同时防止外部导体（或屏蔽层）对内部信号产生干扰。基于这一设计目标， 通过将常规的大直径60 Hz接地电缆碾平，再将其包覆在用于传输高频信号的中心导体周围，由此形成同轴电缆；而同轴电缆的外部屏蔽层作为法拉第罩，可防止外界干扰触及内部信号线，在未接地的情况下，屏蔽层将产生电压，其作用近似于信号发射天线。然而，一旦遭遇雷击，同轴电缆内外导体间将随即产生电势差——这样精细的平衡便被瞬间打破。除此以外，由于雷击浪涌中大部分能量处于DC – 1 MHz，这正是极易被同轴电缆承载的频率，因此其可在同轴电缆所连接的电子设备工作频率中引入破坏性变化。
由于雷电频率相对较低，同轴避雷保护器的工作原理更近似于隔直器或高通滤波器：将直流以及低频50/60 Hz电压引导至屏蔽地线。气体管浪涌保护器在工作时，如浪涌过大无法分流，电流将使得熔断器断开，从而阻断浪涌保护器与屏蔽地线之间的电气路径（见示意图1）。

见示意图1

在分布式天线系统中进行防浪涌保护时，还必须考虑采用具备低无源互调（PIM）性能的部件。无源互调（PIM）属于一项主要干扰源，且难以消除。在高度敏感的射频系统中，处于高功率状态下的无源器件所产生的频率与目标信号混频且相互干扰，进而产生PIM。

4.3-10公头/母头射频同轴浪涌保护器，698MHz - 2.7 GHz，隔直，-173 dBc低PIM

由PIM所引发的问题通常难以消除，其原因在于，当大规模使用无源器件时，无法在不影响原始载波信号的条件下将PIM滤除。因此基于成本考虑，为排除PIM干扰，系统安装只能采用低PIM部件。这一类部件的导体材料都经过精心挑选，确保在配接时不产生显著PIM水平；铁磁材料作为PIM的常见来源，在制造低PIM部件过程中会尽量减少使用。

浪涌保护器类型

以太网浪涌保护器

以太网干线是数据中心中最常见的布线系统，因此必须对其进行防浪涌保护，以防止可造成数百万美元损失的宕机。艾默生-波耐蒙研究所（Emerson and Ponemon Institute）关于宕机损失评估的研究结果表明，截止2016年，数据中心因计划外断电所造成的平均成本增加几近每分钟9千美元，并且这一数字仍在逐年递增。尽管这一计划外断电的主要成因是人为失误和不间断供电设备（约占50%），然而由于直接和间接雷击导致的意外浪涌会造成无法预见的破坏，因此针对此类浪涌的防御阵线不可或缺。

户外超6类10/100/1000/10000 Base-T级浪涌保护器

数据中心设备

远程雷击、电动机、发电机的电源浪涌，甚至太阳耀斑等自然地磁扰动都会在设备和电源之间的馈电线路中产生电压瞬变。数据中心需要采用多种形式的瞬态电压浪涌抑制手段。通常，开关装置是数据中心分流电源浪涌的第一道防线；不间断供电设备则是另一种主要的瞬态电压浪涌抑制手段，当发生电源失效等紧急情况时，通过飞轮或电池（取决于不间断供电设备的类型）可瞬间向计算机和数据存储设备实现电力供应。此外，对于巨大能量的分流还需要采用常用的散热手段。而用于配电装置的浪涌保护器，在具备防浪涌保护能力的同时，还必须满足不生成烟雾，不会发生爆炸等安全条件。

数据中心互连（DCI）的

浪涌保护

随着追求更快速率的以太网通信线路不断问世，对于抑制微小电压浪涌的需求也日益增加。布线密度越来越大，大量数据中心已在日趋紧张的空间和规格限制下捉襟见肘——用来为40 Gbps吞吐量的QSFP+收发器供电的3.5W电源仍旧正常工作，用来为吞吐量高达100 Gbps的QSFP28收发器进行供电，然而，前代的10Base-T接口所能承受的浪涌或将导致新式100Base-T及以上接口遭到破坏。为了维持较低成本，以太网接口如今已集成至主PCB上，这进一步加大了敏感的内部电路被损坏的风险。微电子集成电路会在晶体管这一层面上受到影响，原因在于晶体管的输入线路容易受到静电放电的影响。正因如此，尽管成本较高，建筑物内部及校园设施内部普遍采用光纤通信。直接进行铜缆接入易受电磁干扰影响，当链路距离较短时，许多数据中心甚至已采用有源光缆代替铜缆，从而尝试将数据中心设备的噪声源最小化。
由此可见，以太网数据线路的浪涌保护对于数据中心的正常运行至关重要。另一方面，以太网浪涌保护器因本身具有一定的电容，从而会造成失真，这一失真可对数据产生干扰，导致代价高昂的传输延迟。因此，必须在采用低电容部件和提升电路对于高能浪涌的处理能力之间做出权衡——微电子集成电路的3.3V供电线路要求信号线路的电容小于5皮法，且需要达到1.2焦耳的能量处理能力。此外，PCB布局的限制也会造成性能退化，即使细微的不连续性也可能导致信号衰减、相位失真及共模抑制性能下降。为了对电缆和所接入设备进行充分保护，可在线路两端分别连接保护器。但是，这一操作无疑会增加信号传输的插入损耗，并增大在线路中引入接地环路的可能性。采用多级浪涌保护器，就能够尽可能减少信号损失，大幅提高保护水平（见示意图2）。

见示意图2

PoE系统的保护

以太网供电（PoE）是一种通过双绞线以太网布线系统同时实现电力和数据传输的技术，目前常用于智能安防摄像系统。与闭路电视中所使用的接入同轴电缆的摄像头相比，智能摄像头在分辨率上有了大幅提升。此外，由于这类摄像头的模块化程度更高，可用作独立设备，而模拟摄像头则必须与数字视频记录仪相连。智能摄像头多被用于工业过程监控，以及车载图像处理等关键环节。然而，电源浪涌会引发整个PoE系统停机，从而造成巨大安防风险。因此，当下对于PoE的电源浪涌保护极其重要。

户外PoE中跨/供电器，大功率6类浪涌保护器

PoE系统通过单根线路同时实现电力传输和数据通信，该线路中包括8条通路，通常其中的4条用于设备供电，另外4条用于传输数据。IEEE标准802.3规定，电力可通过以下三种方式传输至受电设备：端点PSE（供电设备）；中跨PSE；延伸PSE。端点PSE直接将电源电力和数据经由基于以太网的交换机或集线器发送给受电设备；中跨PSE（或称PoE供电器）使用非PoE类交换机提供电力和数据；延伸PSE非常简单，其仅为范围延伸后的端点PSE。

PoE互连件和受电设备都必须能够承受超出UL标准规定的静电放电和电力瞬变。例如“门禁控制系统单元”的UL标准规定，各部件（即电源、门控制器及读卡器）必须能够抑制输出电路上2400V/12A的浪涌——对于低电容浪涌保护而言，这一要求较难实现。因此，需要同时在PoE交换机或PoE供电器及下游连接的摄像头、读卡器或门锁侦测器等受电设备设置瞬态电压保护。

要实现这一保护操作，常规方式是采用由瞬态电压抑制二极管组成的电路来引发雪崩击穿——雪崩击穿指的是一种允许极高电流在材料内流过的现象。晶闸管浪涌保护器是另一类雪崩触发二极管，并具备更强的功率处理能力：因这类二极管实为在导通状态下具备较低电阻的撬棒，其可在保持一定电容的同时承载较大电流。由于晶闸管浪涌保护器在浪涌处理后需要进行电源复位，因此一般不适用于高电压低速信号线路；而在高功率直流系统中，瞬态电压抑制二极管是最佳选择。

PoE设备考量因素

即使在已设置浪涌保护器的情况下，受电设备的额定电压也必须远高于瞬态电压抑制二极管或晶闸管浪涌保护器的钳位电压：例如，可承受数千伏电压的瞬态电压抑制二极管在接近100伏时才发生雪崩击穿，受电设备具备足够高的额定电压才可确保其不会因为频繁发生小规模瞬态电压高峰而损坏。
在通常情况下，用于给受电设备进行供电的电源均配置绝缘的DC-DC转换器，由此，因带电导体暴露在外进而造成用户伤害及发生接地环路的风险能够得以最大程度降低。此外，因电缆屏蔽层与安全地线具有不同电势，为了避免发生接地环路，也可能需要将浪涌保护器与电缆屏蔽层间进行绝缘。还需要注意的一项要点是，PoE浪涌保护器可分为模式A兼容（电源引脚：1/2和3/6）和模式B兼容（电源引脚：4/5和7/8），一般而言，大多数支持PoE的交换机属于模式A设备，而供电器则为模式B设备。然而，某些浪涌保护器可同时为模式A和模式B兼容。

作为一类不可或缺的关键性部件，浪涌保护器被广泛应用于各个领域，以用来减少直接或间接雷击所造成的负面影响。虽然，在防雷应用中，保护生命个体免受伤害依旧是首要方向，但在当下由于固态部件不断趋向高敏感度发展，雷击的高能浪涌会对这类部件造成严重损坏。而针对这一类固态部件的防雷措施，不仅涉及更为细化的感应电压和电流瞬变保护，同时还需要采用具备低电容性能的浪涌保护器，以保持高速数据速率。因此，对于建筑物而言，除了将大部分的雷击浪涌进行引流之外，针对内部设备中残留雷电的防护同样不可或缺！仅能够承受较小浪涌的传统技术如今已大规模被电路速度更快、公差更加小的新进技术取代。