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同轴和以太网互连器件浪涌保护分析

发 布:2019/1/11 10:23:41查 看:57


平均而言,雷电电压可几乎在瞬间向地表施加50万焦耳的能量,而且地球每年遭受10亿次以上的雷击,因此避雷防护极为重要。基站与数据中心所采用的避雷防护措施及下游浪涌保护技术可大为不同。下文主要对采用同轴和以太网互连器件的系统所使用的浪涌保护器件进行描述。

  

对于建筑物而言,除了大部分雷击浪涌的引流之外,针对残留雷电的内部设备保护也变得越来越为重要。

 

雷电具有直接和间接影响建筑物、家庭及城市内电子系统的风险。直接雷击不但可以摧毁人的生命,而且其导致的瞬态巨大电流所产生的电磁场可对设备造成永久性伤害。平均而言,雷电电压可几乎在瞬间向地表施加50万焦耳的能量,而且地球每年遭受10亿次以上的雷击,因此避雷防护极为重要。基站与数据中心所采用的避雷防护措施及下游浪涌保护技术可大为不同。下文主要对采用同轴和以太网互连器件的系统所使用的浪涌保护器件进行描述。

 

表1:避雷防护区域

 

避雷防护标准

 

IEC/BS EN 62305避雷防护标准将雷击风险分为以下三类:直接雷击;间接雷击;以及雷击造成的电磁能量。如表1所示,在避雷防护规划中,需要将各区域划分为高风险区域(或称避雷防护区域)以及雷击潜在损害区域。上述标准将雷击可能导致的损害分为以下三类:1)活体伤害;2)结构的物理性损坏;3)内部系统的失效。一般而言,对于任何可能给人类造成伤害的事物,均须设置层层预防措施。举例而言,为了保障内部人员的生命安全,医院需要在外部结构和内部设备两个层面设置大量的缓冲设施。

 

 

表2:避雷防护设备标准

 

美国保险商实验室(Underwriter’s Laboratory)所列的数种避雷防护标准主要针对浪涌保护中采用的设备(见表2)。其中,浪涌保护器件标准UL1449规定了瞬态电压电气路径在各种系统供电方式下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。当设备连于单条火线和零线(本地地线)之间时,即为单相交流供电。三相系统需要连接三条相线及零线。如表3所示,对于所有的导电路径组合,只要其可能发生电势差,即需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件的保护模式。此外,保护模式还可描述为共模或差模浪涌保护。

 

 

表3:瞬态过电压的保护类型

 

当浪涌对局部区域内的零地(N-G)节点等所有导体具有同等影响时,称为共模浪涌。差模浪涌发生于给定位置上的任何两个导体之间,也称普通浪涌或相线与零线之间的浪涌。大多数现有设备本身可抗共模浪涌。根据美国国家标准(ANSI)C62.41,大多数共模浪涌来自建筑物,而且建筑物内的共模浪涌最大仅为0.17焦耳。然而,差模浪涌比共模浪涌高若干数量级。

 

浪涌保护器类型

 

同轴浪涌保护器:户外用途中使用的同轴互连器件须同时承受直接和间接雷击,其可对传输线及其上连接的电路产生不利影响。从真空管到固态电子器件设备的转换,尤其变送器一端的转换增加了与雷击相关的风险——该敏感的集成电路易于在残留瞬态电压浪涌的作用下损坏。

 

同轴电缆旨在最大限度地减少目标高频信号因趋肤效应而发生的欧姆损耗,并同时防止外部导体(或屏蔽层)对内部信号的干扰。趋肤效应是指,随着频率的增大,信号的大部分集中于导体外边缘的一种现象。与电子能在整个导体内自由迁移的交流应用相比,在趋肤效应的作用下,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。因此,人们将60Hz常用的大直径接地电缆碾平,并将其围绕于发送高频信号的中心导体周围,以形成同轴电缆,其中,该外围电缆屏蔽层可作为法拉第罩,防止外部干扰触及内部信号线。在未接地的情况下,屏蔽层可产生电压,并用作信号发射天线。然而,这种精细脆弱的平衡可在雷击的作用下被打破,这是因为雷击可同时在同轴电缆的内外导体内产生电势差。此外,由于雷击浪涌的大部分能量的频率为易于被同轴电缆承载的DC~1MHz,因此其可在同轴电缆所连电子设备的工作频率中产生破坏性的变化。

 

由于雷电的频率相对较低,同轴避雷保护器通常采用隔直器或高通滤波器的形式,以将直流及低频50/60Hz电压引导至屏蔽地线。在采用气体管浪涌保护时,当浪涌太大,无法分流时,电流将使熔断器断开,从而消除浪涌保护器与屏蔽地线之间的电气路径(见图1)。

 

  

分布式天线系统领域中采用的浪涌保护器件还需要考虑低无源互调(PIM)失真器件的使用。PIM为难以消除的干扰的主要来源,其为高度敏感射频系统的无源硬件在高功率条件下产生的可与目标信号混频及相互干涉的频率产物。PIM所致问题难以解决的原因在于,由于无源器件的大量使用,人们难以在不影响原始载波信号的同时将其滤除。在没有可快速消除PIM的低成本方法可供使用的情况下,系统安装只能采用低PIM器件。此类器件由精心挑选的可在配接时不产生显著PIM水平的一系列导体材料制成,而且其制造过程中尽量减少铁磁材料(PIM的常见来源)的使用。

 

以太网浪涌保护器:对于数据中心广泛采用的以太网干线而言,浪涌保护的主要目的在于防止可导致数百万美元损失的宕机。根据艾默生-波耐蒙研究所(Emerson and Ponemon Institute)的宕机评估研究结果,截止2016年,数据中心的计划外断电所导致的平均成本几近每分钟9千美元,而且这一数字还在逐年增大。虽然数据中心断电的主要原因在于人为失误和不间断供电设备(大约占50%),然而由于直接和间接雷击导致的意外浪涌可造成不可预见的损害,因此仍需建立针对此类浪涌的防御阵线。

 

数据中心设备

 

远程雷击,电动机及发电机的电源浪涌,甚至太阳耀斑等自然地磁扰动都可在设备和电源之间的馈电线路中产生电压瞬变。数据中心可采用多种形式的瞬态电压浪涌抑制手段。开关装置通常为数据中心分流电源浪涌的第一道防线。不间断供电设备为另一种主要的瞬态电压浪涌抑制手段,其中,当发生电源失效的紧急情况时,可通过飞轮或电池(取决于不间断供电设备的类型)向计算机和数据存储设备瞬间提供电力。此外,大量能量的分流还需要采用各种常用的散热手段。配电装置中安装的浪涌保护器件必须能够以不发生烟雾或爆炸的形式安全地化解巨大的电流浪涌。

 

数据中心互连器件(DCI)的浪涌保护

 

随着传输速度更快的以太网通信线路的问世,抑制微小电压浪涌的需求越来越高。随着人们对布线密度的要求越来越高,大量数据中心正在面临越来越严苛的空间和规格限制——虽然用于为40Gbps吞吐量的QSFP+收发器供电的3.5W电源可为吞吐量高达100Gbps的QSFP28收发器供电,但旧式10Base-T接口可承受的浪涌可能会导致新式的100Base-T及以上接口遭到破坏。此外,为了维持较低的成本,以太网接口如今已集成至主印刷电路板上,这加大了敏感内部电路被损坏的风险。微电子集成电路可在晶体管这一层面上受到影响,其原因在于晶体管的输入线路容易受到静电放电的影响。因此,尽管成本较高,建筑物内部及校园设施内部也几乎仅使用光纤电缆。由于直连铜缆易受电磁干扰影响,因此当链路距离较短时,许多数据中心甚至已经以有源光缆代替直连铜缆,作为数据中心设备噪声源最小化的另一项尝试。

 

由此可见,以太网数据线路的浪涌保护对于数据中心的成功至关重要。尽管如此,以太网电涌保护器因本身具有一定的电容而会造成失真,该失真可对数据造成干扰并导致代价高昂的延迟。这使得人们必须在低电容器件的采用和提高电路对高能浪涌的处理能力之间做出权衡——3.3V的微电子集成电路供电线路要求信号线路的电容小于5皮法,而且需要具有1.2焦耳的能量处理能力。此外,印刷电路板布局的限制也可造成性能退化。即使微小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的下降。为了对电缆和所连设备进行充分保护,可在线路两端分别连接保护器。但是,这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。多级浪涌保护器可以较小信号损失的代价,大幅提高保护水平(见图2)。  

 


  

基于PoE的系统的保护

 

以太网供电(PoE)为一种利用双绞线以太网布线同时传输电力和数据的技术,目前常用于智能安防摄像系统。对于PoE而言,电源浪涌可能导致失效,从而造成安全和安防风险,因此电源浪涌保护尤为重要。与闭路电视领域中使用的基于同轴电缆的摄像头相比,智能摄像头可大幅提高分辨率。此外,由于此类摄像头模块化程度更高,其可用作独立设备。模拟摄像头必须与数字视频记录仪相连接。此类摄像头可用于上至工业过程监控,下至车载图像处理的各种用途。

 

基于PoE的系统利用同一条线路同时实现电力传输和数据通信,该线路具有八条通路,其中的四条通常用于设备供电,而另外四条用于传输数据。IEEE标准802.3中规定,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直接将电源处的电力和数据经基于以太网的交换机或集线器发送给受电设备,而中跨PSE(或称PoE注入器)利用非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互连器件和受电设备均必须能够承受超出美国保险商实验室标准(UL标准)规定的静电放电及电力瞬变情形。例如“门禁控制系统单元”的UL标准规定,器件(即电源、门控制器及读卡器)必须能够抑制输出电路上的2400V/12A大小的浪涌——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(或称PoE注入器)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(见图1)。

 

上述目的通常可通过由可发生雪崩击穿(一种允许极高电流在材料内流过的现象)的瞬态电压抑制二极管组成的电路实现。晶闸管浪涌保护器件为另一类雪崩触发二极管,此类二极管为导通状态电阻较低的撬棒器件,可在保持一定电容的同时,承载较大的电流,因此通常具有更佳的功率处理能力。晶闸管浪涌保护器件在浪涌处理后需要进行电源复位,因此一般不用于高电压低速信号线路,而瞬态电压抑制二极管可作为高功率直流系统的最佳选择。

 

PoE设备考量因素

 

即使在使用浪涌保护器件的条件下,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件的钳位电压。可承受数千伏电压的瞬态电压抑制二极管例如可在几近100伏的条件下才发生雪崩击穿。足够高的额定电压可保证受电设备不因频繁发生的小的瞬态电压高峰而损坏。

 

受电设备的供电设备通常配备绝缘的直流-直流转换器,以最大限度地降低暴露带电导体造成用户伤害以及发生接地环路的风险。此外,为了避免发生接地环路,浪涌保护器本身也可能需要将其与安全地线具有不同电势的电缆屏蔽层绝缘。还需要注意的重要一点是,PoE浪涌保护器件可分为模式A(电源引脚:1/2及3/6)兼容器件和模式B(电源引脚:4/5及7/8)兼容器件。一般而言,大多数支持PoE的交换机为模式A设备,而注入器为模式B设备。某些浪涌保护器可同时为模式A和模式B兼容器件。

 

结论

 

在各种应用中,浪涌保护器件用作缓解直接和间接雷击不良影响的一种不可或缺的工具。虽然防止生命受到伤害仍然是避雷防护领域的主要发展方向,但如今由于固态器件越来越趋敏感,雷击的高能浪涌也可对此类器件造成严重损害。这些固态器件不仅需要额外的感应电压和电流瞬变保护,而且还需要采用低电容的浪涌保护器件,以保持较高的数据速率。因此,对于建筑物而言,除了大部分雷击浪涌的引流之外,针对残留雷电的内部设备保护也变得越来越为重要。能够承受较小浪涌的传统技术已经大部分被电路速度更快且公差更加严格的技术所取代。


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