【導讀】平均而言，雷電電壓可幾乎在瞬間向地表施加50萬焦耳的能量，而且地球每年遭受10億次以上的雷擊，因此避雷防護極為重要?；九c數(shù)據(jù)中心所采用的避雷防護措施及下游浪涌保護技術(shù)可大為不同。下文主要對采用同軸和以太網(wǎng)互連器件的系統(tǒng)所使用的浪涌保護器件進行描述。
對于建筑物而言，除了大部分雷擊浪涌的引流之外，針對殘留雷電的內(nèi)部設(shè)備保護也變得越來越為重要。
雷電具有直接和間接影響建筑物、家庭及城市內(nèi)電子系統(tǒng)的風險。直接雷擊不但可以摧毀人的生命，而且其導致的瞬態(tài)巨大電流所產(chǎn)生的電磁場可對設(shè)備造成永久性傷害。平均而言，雷電電壓可幾乎在瞬間向地表施加50萬焦耳的能量，而且地球每年遭受10億次以上的雷擊，因此避雷防護極為重要?；九c數(shù)據(jù)中心所采用的避雷防護措施及下游浪涌保護技術(shù)可大為不同。下文主要對采用同軸和以太網(wǎng)互連器件的系統(tǒng)所使用的浪涌保護器件進行描述。
表1：避雷防護區(qū)域
避雷防護標準
IEC/BS EN 62305避雷防護標準將雷擊風險分為以下三類：直接雷擊；間接雷擊；以及雷擊造成的電磁能量。如表1所示，在避雷防護規(guī)劃中，需要將各區(qū)域劃分為高風險區(qū)域（或稱避雷防護區(qū)域）以及雷擊潛在損害區(qū)域。上述標準將雷擊可能導致的損害分為以下三類：1）活體傷害；2）結(jié)構(gòu)的物理性損壞；3）內(nèi)部系統(tǒng)的失效。一般而言，對于任何可能給人類造成傷害的事物，均須設(shè)置層層預防措施。舉例而言，為了保障內(nèi)部人員的生命安全，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)置大量的緩沖設(shè)施。
表2：避雷防護設(shè)備標準
美國保險商實驗室（Underwriter’s Laboratory）所列的數(shù)種避雷防護標準主要針對浪涌保護中采用的設(shè)備（見表2）。其中，浪涌保護器件標準UL1449規(guī)定了瞬態(tài)電壓電氣路徑在各種系統(tǒng)供電方式下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)備連于單條火線和零線（本地地線）之間時，即為單相交流供電。三相系統(tǒng)需要連接三條相線及零線。如表3所示，對于所有的導電路徑組合，只要其可能發(fā)生電勢差，即需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件的保護模式。此外，保護模式還可描述為共?；虿钅＠擞勘Ｗo。
表3：瞬態(tài)過電壓的保護類型
當浪涌對局部區(qū)域內(nèi)的零地（N-G）節(jié)點等所有導體具有同等影響時，稱為共模浪涌。差模浪涌發(fā)生于給定位置上的任何兩個導體之間，也稱普通浪涌或相線與零線之間的浪涌。大多數(shù)現(xiàn)有設(shè)備本身可抗共模浪涌。根據(jù)美國國家標準（ANSI）C62.41，大多數(shù)共模浪涌來自建筑物，而且建筑物內(nèi)的共模浪涌最大僅為0.17焦耳。然而，差模浪涌比共模浪涌高若干數(shù)量級。
浪涌保護器類型
同軸浪涌保護器：戶外用途中使用的同軸互連器件須同時承受直接和間接雷擊，其可對傳輸線及其上連接的電路產(chǎn)生不利影響。從真空管到固態(tài)電子器件設(shè)備的轉(zhuǎn)換，尤其變送器一端的轉(zhuǎn)換增加了與雷擊相關(guān)的風險——該敏感的集成電路易于在殘留瞬態(tài)電壓浪涌的作用下?lián)p壞。
同軸電纜旨在最大限度地減少目標高頻信號因趨膚效應而發(fā)生的歐姆損耗，并同時防止外部導體（或屏蔽層）對內(nèi)部信號的干擾。趨膚效應是指，隨著頻率的增大，信號的大部分集中于導體外邊緣的一種現(xiàn)象。與電子能在整個導體內(nèi)自由遷移的交流應用相比，在趨膚效應的作用下，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。因此，人們將60Hz常用的大直徑接地電纜碾平，并將其圍繞于發(fā)送高頻信號的中心導體周圍，以形成同軸電纜，其中，該外圍電纜屏蔽層可作為法拉第罩，防止外部干擾觸及內(nèi)部信號線。在未接地的情況下，屏蔽層可產(chǎn)生電壓，并用作信號發(fā)射天線。然而，這種精細脆弱的平衡可在雷擊的作用下被打破，這是因為雷擊可同時在同軸電纜的內(nèi)外導體內(nèi)產(chǎn)生電勢差。此外，由于雷擊浪涌的大部分能量的頻率為易于被同軸電纜承載的DC~1MHz，因此其可在同軸電纜所連電子設(shè)備的工作頻率中產(chǎn)生破壞性的變化。
由于雷電的頻率相對較低，同軸避雷保護器通常采用隔直器或高通濾波器的形式，以將直流及低頻50/60Hz電壓引導至屏蔽地線。在采用氣體管浪涌保護時，當浪涌太大，無法分流時，電流將使熔斷器斷開，從而消除浪涌保護器與屏蔽地線之間的電氣路徑（見圖1）。
圖1
分布式天線系統(tǒng)領(lǐng)域中采用的浪涌保護器件還需要考慮低無源互調(diào)（PIM）失真器件的使用。PIM為難以消除的干擾的主要來源，其為高度敏感射頻系統(tǒng)的無源硬件在高功率條件下產(chǎn)生的可與目標信號混頻及相互干涉的頻率產(chǎn)物。PIM所致問題難以解決的原因在于，由于無源器件的大量使用，人們難以在不影響原始載波信號的同時將其濾除。在沒有可快速消除PIM的低成本方法可供使用的情況下，系統(tǒng)安裝只能采用低PIM器件。此類器件由精心挑選的可在配接時不產(chǎn)生顯著PIM水平的一系列導體材料制成，而且其制造過程中盡量減少鐵磁材料（PIM的常見來源）的使用。
以太網(wǎng)浪涌保護器：對于數(shù)據(jù)中心廣泛采用的以太網(wǎng)干線而言，浪涌保護的主要目的在于防止可導致數(shù)百萬美元損失的宕機。根據(jù)艾默生-波耐蒙研究所（Emerson and Ponemon Institute）的宕機評估研究結(jié)果，截止2016年，數(shù)據(jù)中心的計劃外斷電所導致的平均成本幾近每分鐘9千美元，而且這一數(shù)字還在逐年增大。雖然數(shù)據(jù)中心斷電的主要原因在于人為失誤和不間斷供電設(shè)備（大約占50%），然而由于直接和間接雷擊導致的意外浪涌可造成不可預見的損害，因此仍需建立針對此類浪涌的防御陣線。
數(shù)據(jù)中心設(shè)備
遠程雷擊，電動機及發(fā)電機的電源浪涌，甚至太陽耀斑等自然地磁擾動都可在設(shè)備和電源之間的饋電線路中產(chǎn)生電壓瞬變。數(shù)據(jù)中心可采用多種形式的瞬態(tài)電壓浪涌抑制手段。開關(guān)裝置通常為數(shù)據(jù)中心分流電源浪涌的第一道防線。不間斷供電設(shè)備為另一種主要的瞬態(tài)電壓浪涌抑制手段，其中，當發(fā)生電源失效的緊急情況時，可通過飛輪或電池（取決于不間斷供電設(shè)備的類型）向計算機和數(shù)據(jù)存儲設(shè)備瞬間提供電力。此外，大量能量的分流還需要采用各種常用的散熱手段。配電裝置中安裝的浪涌保護器件必須能夠以不發(fā)生煙霧或爆炸的形式安全地化解巨大的電流浪涌。
數(shù)據(jù)中心互連器件（DCI）的浪涌保護
隨著傳輸速度更快的以太網(wǎng)通信線路的問世，抑制微小電壓浪涌的需求越來越高。隨著人們對布線密度的要求越來越高，大量數(shù)據(jù)中心正在面臨越來越嚴苛的空間和規(guī)格限制——雖然用于為40Gbps吞吐量的QSFP+收發(fā)器供電的3.5W電源可為吞吐量高達100Gbps的QSFP28收發(fā)器供電，但舊式10Base-T接口可承受的浪涌可能會導致新式的100Base-T及以上接口遭到破壞。此外，為了維持較低的成本，以太網(wǎng)接口如今已集成至主印刷電路板上，這加大了敏感內(nèi)部電路被損壞的風險。微電子集成電路可在晶體管這一層面上受到影響，其原因在于晶體管的輸入線路容易受到靜電放電的影響。因此，盡管成本較高，建筑物內(nèi)部及校園設(shè)施內(nèi)部也幾乎僅使用光纖電纜。由于直連銅纜易受電磁干擾影響，因此當鏈路距離較短時，許多數(shù)據(jù)中心甚至已經(jīng)以有源光纜代替直連銅纜，作為數(shù)據(jù)中心設(shè)備噪聲源最小化的另一項嘗試。
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)中心的成功至關(guān)重要。盡管如此，以太網(wǎng)電涌保護器因本身具有一定的電容而會造成失真，該失真可對數(shù)據(jù)造成干擾并導致代價高昂的延遲。這使得人們必須在低電容器件的采用和提高電路對高能浪涌的處理能力之間做出權(quán)衡——3.3V的微電子集成電路供電線路要求信號線路的電容小于5皮法，而且需要具有1.2焦耳的能量處理能力。此外，印刷電路板布局的限制也可造成性能退化。即使微小的不連續(xù)性也可能導致信號衰減，相位失真及共模抑制性能的下降。為了對電纜和所連設(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。多級浪涌保護器可以較小信號損失的代價，大幅提高保護水平（見圖2）。
圖2
基于PoE的系統(tǒng)的保護
以太網(wǎng)供電（PoE）為一種利用雙絞線以太網(wǎng)布線同時傳輸電力和數(shù)據(jù)的技術(shù)，目前常用于智能安防攝像系統(tǒng)。對于PoE而言，電源浪涌可能導致失效，從而造成安全和安防風險，因此電源浪涌保護尤為重要。與閉路電視領(lǐng)域中使用的基于同軸電纜的攝像頭相比，智能攝像頭可大幅提高分辨率。此外，由于此類攝像頭模塊化程度更高，其可用作獨立設(shè)備。模擬攝像頭必須與數(shù)字視頻記錄儀相連接。此類攝像頭可用于上至工業(yè)過程監(jiān)控，下至車載圖像處理的各種用途。
基于PoE的系統(tǒng)利用同一條線路同時實現(xiàn)電力傳輸和數(shù)據(jù)通信，該線路具有八條通路，其中的四條通常用于設(shè)備供電，而另外四條用于傳輸數(shù)據(jù)。IEEE標準802.3中規(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直接將電源處的電力和數(shù)據(jù)經(jīng)基于以太網(wǎng)的交換機或集線器發(fā)送給受電設(shè)備，而中跨PSE（或稱PoE注入器）利用非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互連器件和受電設(shè)備均必須能夠承受超出美國保險商實驗室標準（UL標準）規(guī)定的靜電放電及電力瞬變情形。例如“門禁控制系統(tǒng)單元”的UL標準規(guī)定，器件（即電源、門控制器及讀卡器）必須能夠抑制輸出電路上的2400V/12A大小的浪涌——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（或稱PoE注入器）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（見圖1）。
上述目的通?？赏ㄟ^由可發(fā)生雪崩擊穿（一種允許極高電流在材料內(nèi)流過的現(xiàn)象）的瞬態(tài)電壓抑制二極管組成的電路實現(xiàn)。晶閘管浪涌保護器件為另一類雪崩觸發(fā)二極管，此類二極管為導通狀態(tài)電阻較低的撬棒器件，可在保持一定電容的同時，承載較大的電流，因此通常具有更佳的功率處理能力。晶閘管浪涌保護器件在浪涌處理后需要進行電源復位，因此一般不用于高電壓低速信號線路，而瞬態(tài)電壓抑制二極管可作為高功率直流系統(tǒng)的最佳選擇。
PoE設(shè)備考量因素
即使在使用浪涌保護器件的條件下，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件的鉗位電壓。可承受數(shù)千伏電壓的瞬態(tài)電壓抑制二極管例如可在幾近100伏的條件下才發(fā)生雪崩擊穿。足夠高的額定電壓可保證受電設(shè)備不因頻繁發(fā)生的小的瞬態(tài)電壓高峰而損壞。
受電設(shè)備的供電設(shè)備通常配備絕緣的直流-直流轉(zhuǎn)換器，以最大限度地降低暴露帶電導體造成用戶傷害以及發(fā)生接地環(huán)路的風險。此外，為了避免發(fā)生接地環(huán)路，浪涌保護器本身也可能需要將其與安全地線具有不同電勢的電纜屏蔽層絕緣。還需要注意的重要一點是，PoE浪涌保護器件可分為模式A（電源引腳：1/2及3/6）兼容器件和模式B（電源引腳：4/5及7/8）兼容器件。一般而言，大多數(shù)支持PoE的交換機為模式A設(shè)備，而注入器為模式B設(shè)備。某些浪涌保護器可同時為模式A和模式B兼容器件。
結(jié)論
在各種應用中，浪涌保護器件用作緩解直接和間接雷擊不良影響的一種不可或缺的工具。雖然防止生命受到傷害仍然是避雷防護領(lǐng)域的主要發(fā)展方向，但如今由于固態(tài)器件越來越趨敏感，雷擊的高能浪涌也可對此類器件造成嚴重損害。這些固態(tài)器件不僅需要額外的感應電壓和電流瞬變保護，而且還需要采用低電容的浪涌保護器件，以保持較高的數(shù)據(jù)速率。因此，對于建筑物而言，除了大部分雷擊浪涌的引流之外，針對殘留雷電的內(nèi)部設(shè)備保護也變得越來越為重要。能夠承受較小浪涌的傳統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)大部分被電路速度更快且公差更加嚴格的技術(shù)所取代。
