电子设备避雷器的重要性及选择标准

什么是避雷器？避雷器是一张“保险单”，不仅保护设备，而且还保护人身的安全和业务的可用性。换句话说，避雷器是技术和经济双方面的“保证书”。本文就如何评估闪电对系统造成的潜在危险作简单介绍，并重点讨论对连接在传输RF或数据信号的同轴电缆和双绞线（TP）上的设备进行雷电和浪涌保护。

避雷器：系统所必须的保护措施

LP(lightening protector)是无源射频器件，只有发生能量浪涌的时候才开始处于使用状态，防止能量浪涌对系统造成任何损坏，还可防止位于装置附近的家庭和人员免遭伤害。此外，便携式脉冲发生器的快速电磁脉冲（例如上升时间只有皮秒级的超宽带—UWB—脉冲）发生技术以及其可用性已经具备了对军事和民用系统进行恐怖袭击的可能。由于当今的设备和元件越来越小且更加敏感，所以可能成为潜在威胁能量的量级也越来越小。

了解了这些潜在的威胁之后，很显然，许多应用将需要LP的保护，如：

• 在移动通信网络中，安全服务需要系统以100%的时间运行，服务的中断会给服务提供商造成巨大损失，

• 明显用于安全目的的军事系统，

• 同时支持安全业务的导航和定位系统（例如：E911），

• 高电压应用，例如电站，铁路等

受到雷击后，对于所有这些系统，未受保护或“未有效保护”的系统将面临：设备损坏、系统降级（换句话说：数据受损或被破坏）、可用性受损、收入受损、声誉受损、人员伤害、修理费用等等。

研究移动网络通信的基站结构就可以发现，威胁来自于天线或电源线。事实上，进入天线的浪涌能量将直接被导入敏感的前端接收器。另外一种情况是与电源线发生耦合的雷击将能量直接导入系统。除了这两种直击雷的情况之外，设备还应当具有防止感应耦合（雷击形成的高强度磁场在系统中会感应出很高的电流）的保护措施。

用于保护系统的三项建议原则

LP所用的工作原理是根据典型的闪电脉冲特性定义的。一个雷电被定义为一个时域内的脉冲，其特征是具有几个10 kA （最高达200 kA）的电流振幅，且持续时间小于2ms （测试脉冲10/350 ms IEC 61312-1）。在频域内，一个典型的雷电可被视为一个低频信号—大部分的能量都低于1kHz，虽然较高的频率可达到100 kHz左右。这个频谱使电子系统的保护变得更加容易，因为现今的电子设备大都工作在高频区域内。

如何选择合适的避雷器？

选择一套LP时，要考虑以下一些最基本的方面：1、无源部件/保护部件的电气性能2、所用的材料3、环境因素（例如反映设备防水性能的IP保护等级）4、机械因素（安装和接地应符合IEC标准）。这里只详细介绍第1、2两点、虽然环境因素和机械因素对于选择LP也很重要，但是这些特性在大部分供货商的产品之间没有很大差异，因此3、4不做进一步说明。

LP保护装置应只有在雷电击中系统时才发挥作用。在其它任何时间，LP都不应影响RF信号的强度和路径。此时，全面了解信号损失、系统匹配（VSWR / RL）和PIM （无源互调）所造成的影响，是设计保护装置所必需掌握的知识。例如，无源互调现象现在对于所有的数字移动通信网络甚至于其它应用都非常关键。拙劣设计的保护装置会很容易导致PIM。事实上，在同轴元件中引入LP会带来非线性。非线性直接与LP的机械设计（例如太多的零件）、材料选用（例如：磁性金属材料）以及电镀质量和其它因素有关。因此，制造商的技术诀窍和经验是一个必须考虑的关键因素。

电流处理能力的选择始终是尽可能高,残余脉冲水平的选择则是要与系统需求相匹配。残余脉冲没有必要尽可能地小，而是要根据要保护的系统进行选择。事实上，有必要估算系统中所用设备所能支持的电压和能量水平，以确定最佳的避雷器解决方案。HUBER+SUHNER四分之一波（l/4）短路棒雷电防护器就是根据四分之一波的传输变换原理。用于这一目的的同轴短路棒在它的端点被短路，它的长度正好和工作波段的中心频率相匹配，所以它又是一个带通滤波器。它的带宽为2－20％，不同的型号会有不同的标准设计。

如上所述，由于所用通信接收设备的灵敏度大大增加，因此此种估算变得越发关键。

为了评估系统中存在的残余脉冲水平，IEC61000-4-5标准为设备和子单元均定义了清晰的指导方针。典型的情况是，电信行业的设备必须维持脉冲波型为1.2/50μs 的1kV测试脉冲。该测试水平远远高于市场上合适的气体放电管保护器，这些气体放电管保护器的残余脉冲的范围为数百伏振幅和数百μJ的能量。在当今的通信环境中，1mJ的残余能量等级才是可以接受的。如今的市场上存在多种类型的LP解决方案。下面的示例分别对两个DC阻断 LP（参见图1 和 2）和两个DC连续LP（参见图3和 图4）做了比较。所有的设备都表现出不同水平的残余脉冲。

图1：DC阻断保护器的残余脉冲——保护器A （能量250 pJ） 图2：DC 阻断保护器的残余脉冲 （能量320 pJ）

图3：DC连续保护器的残余脉冲——保护器B （能量70 μJ） 图4：DC连续保护器的残余脉冲（能量350 μJ）

我们很容易就能看到DC阻断保护器（图1 和 图2）的残余脉冲比DC连续保护器（图3 和图4）的残余脉冲小。

材料越好质量越高，保护效果也越好。对所用材料的选择也直接影响LP的性能。例如铍铜（CuBe），由于其具有的复原性，因而是作为LP中心导体的最佳材料。此外，即使在高温环境下，CuBe也能保持多年不发生变化。由于其固有的属性，该材料还能实现良好的触点压力，这意味着很低的触点电阻和良好的电流操作性能。使用CuBe不会面临其它材料所发生的触点燃烧的危险。

结论

当今的电子设备面临多种高能量浪涌发生源的威胁。必须采用恰当的装置来保护这些设备。强烈建议最终用户在专家的帮助下选用合适的保护装置。实际上，选择保护装置时必须遵循多个标准：所面临危险的种类，所需保护的设备种类，机械约束条件等，只有专家才能够均衡考虑这些标准然后选择出适合的保护装置。选择合适的保护装置同时也保证了将最终用户所受的经济影响限制在一定范围：用户所用设备的现有状态不会降级（优良的LP对于安装使用该LP的设备性能的影响是有限的），发生雷击时设备不会有停机的危险（保护装置保护设备免受任何高能量的浪涌）。

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