信号电涌保护器对信号传输影响的分析

李祥超，陈良英，张 静，薛 奇

（南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，南京210044）

信号电涌保护器对信号传输影响的分析

李祥超，陈良英，张 静，薛 奇

（南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，南京210044）

信号电涌保护器(surge protective device,SPD)对信号传输的影响，主要表现在暂态抑制二极管(transient voltage suppressor,TVS)的分布电容上，通过对平衡信号SPD和非平衡信号SPD电路的原理分析，将信号SPD等效为两端口网络，利用两端口网络的T参数模型，采用理论与试验相结合的方法，试验结果得出：当TVS的分布电容值一定时，退耦电阻的阻值对幅频特性曲线-3 dB和-6 dB处的频率影响较小；退耦电阻的阻值一定时，随TVS分布电容值的增加，-3 dB和-6 dB处的频率均呈下降趋势。从信号传输的角度分析，频率越高，衰减越大，TVS的分布电容值在500～3 500 pF范围内，平衡传输时的幅频特性曲线-3 dB的频率范围为2～20 MHz，-6 dB的频率范围为5～25 MHz，非平衡传输时的幅频特性曲线-3 dB的频率范围为5～17 MHz，-6 dB的频率范围为6～20 MHz。这在防雷应用中有一定的参考价值。

信号SPD；幅频特性；退耦电阻；分布电容

0 引言

当今社会快速发展，电子信息设备和计算机系统已广泛应用于各行各业，由于构成这类弱电设备的内部微电子器件、计算机芯片等极其敏感，工作电压和耐冲击电压水平低，极易受到各种电磁干扰的影响，其中雷电电磁脉冲、操作过电压等都是主要的干扰源[1-4]。设计合适的电涌保护器(surge protective device，SPD)对连接这些设备的接口进行保护，尽量减小因遭受雷电冲击过电压的干扰和损坏造成的损失，已成为接口设备可靠性工作中急需解决的问题[5-8]。对于电子信息设备和计算机系统而言，设计合理的信号SPD非常关键，如果信号SPD设计不当，会造成信号传输速率下降、误码率增加、传输距离缩短等问题，严重时甚至会导致信号中断[9-10]。设计、安装信号SPD时，除充分考虑防雷产品与设备的匹配问题外，还应保证信号稳定传输。

目前已有许多学者对信号SPD影响信号传输这方面做了大量的理论和试验研究工作。王林、赵怀林等人针对PLC、DCS、ESD、FGS等系统的RS485通讯端口，设计了一款具有抗电涌冲击能力强、电压保护水平低、插入损耗小等特点的电涌保护器[11]；杜志航、杨仲江等在《RJ45接口浪涌保护器的设计》一文中提出了百兆网络SPD的设计方法，指出了整流桥与暂态抑制二极管（transient voltage suppressor,TVS）组合中存在的问题，并且对TVS的参数选择给出了指导性意见[12]。以上作者对信号SPD的传输影响作了大量的研究工作，但是，对退耦电阻和SPD的分布电容方面的研究较少。

笔者就以上问题，对退耦电阻的取值和分布电容的大小进行测试，分析退耦电阻和TVS的分布电容对幅频特性曲线-3 dB和-6 dB处频率的影响。

1 理论分析

根据信号传输的特点及标准接口协议，信号传输方式可分为平衡传输方式和非平衡传输方式，平衡传输方式包括RJ-45网络信号接口和RS-485接口，非平衡传输方式包括BNC接口和RS-232接口。网络信号接口RJ-45分100Base-TX网和1000 Mbaud以太网，100Base-TX网的传输速率为125 Mbit/s，最高为155 Mbit/s，网络信号的电压只有2 V，采用双绞线电缆，其中一对用于发送数据，另一对用于接收数据。每对的发送和接收信号是极化的，一条线传输正（+）信号，而另一条线传输负（-）信号。

RS-485是一种平衡差分驱动、半双工的串行通信接口标准，它具有传输距离远、抗干扰能力强、较高数据传输速率和便于构成分布式测控网络等优点，主要用于数字设备多点互联时的二进制数据信号交换系统。该交换系统包括一个或多个信号发生器，通过一条平衡互连电缆连接一个或多个接收器和端接电阻。RS-485接口最大传输速率为10 Mbit/s，它是一种平衡传输方式的串行接口标准，RS-485数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输，它使用一对双绞线，将其中一线定义为A，另一线定义为B。通常情况下，发送驱动器A、B之间的正电平为+2～+6 V，是一个逻辑状态，负电平为-2～-6 V，是另一个逻辑状态。另一个信号为C，在RS-485中还有一“使能”端。“使能”端用于控制发送驱动器欲传输线的切断与连接。当“使能”端起作用时，发送驱动器处于高阻状态，称作“第三态”，即它是有别于逻辑“1”与“0”的第三态[13]。

BNC（视频信号）接口是10Base2的接头，即同轴细缆接头。可以隔绝视频输入信号，使信号相互间干扰减少，且信号带宽要比普通15针的D型接口大，可达到更佳的信号响应效果。视频信号的特点决定其传输必须采取宽频带、低损耗的传输信道，其带宽是0～6 MHZ。在视频监控系统中，同轴电缆是传输视频图像最常用的媒介。

RS-232标准规定的数据传输速率为每秒150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特，传输速率较低，在异步传输时，波特率≤20 kbps，其特性阻抗为3～7 kΩ。其发送数据是通过TxD终端将串行数据发送到MODEM；接收数据是通过RxD线终端接收从MODEM发来的串行数据。信号有效（接通，ON状态，正电压）=+3～+15 V；信号无效（断开，OFF状态，负电压)=-3～-15 V，因此，实际工作时，应保证电平在±(3～15)V之间。RS-232接口的传输线采用屏蔽双绞线。在近距离通信时，不采用调制解调器MODEM，通信双方可以直接连接，这种情况下，只需要使用少数几根信号线。最简单的情况只需使用3根线（TxD、RxD、SG）便可实现全双工异步串行通信，故在设计RS-232接口SPD时，只需对这3根信号线进行防浪涌设计。

以平衡传输方式为例，信号SPD的设计电路结构如图1所示，非平衡信号SPD的电路原理图为图2。它是由第一级气体放电管(gas discharge tube,GDT)、退耦电阻、第二级TVS组成的两级保护电路。由于雷电的静电感应和电磁感应在信号线路上感应出雷电过电压，其幅值一般在几十到几百伏。在信号SPD的第一级利用GDT对瞬态过电压的能量进行泄放，第二级使用TVS将电压箝位在一个较低的水平，以保护电子设备的信号端。在第一级与第二级之间加装退耦电阻来实现两极间的能量配合[14]，使GDT在瞬态过电压波到达TVS之前导通泄流，以保证TVS不被击穿。在保证SPD保护效果的前提下，应尽量减小因加入退耦电阻而对信号线路正常通信造成的影响。退耦电阻值既不能过大也不能偏小。若过大，会影响信号电路的正常运行，对信号的传输造成较大的衰减；若偏小，会使第一级的气体放电管放电特性得不到改善，同时也不能有效地限制其后面TVS中的暂态电流。在不影响信号传输的前提下，退耦电阻的阻值越大越好，因为增大电阻可以提高气体放电管与TVS的匹配效率。TVS的分布电容值较大，而信号线路中分布电容值越大，越不利于信号的正常传输。

图1 平衡信号SPD的原理图Fig.1 Schematic diagram of the balanced signal SPD

图2 非平衡信号SPD的原理图Fig.2 Schematic diagram of the unbalanced signal SPD

当没有雷电波作用时，可将图1等效为图3，图3可视为一个两端口网络，如图4所示。

图3 等效电路图Fig.3 Equivalent circuit

图4 两端口网络Fig.4 Two-port network

在图4中，方框表示网络，它与电源连接的一对端子称为网络的输入端，与负载连接的一对端子称为网络的输出端，习惯上用1-1端表示输入端，2-2端表示输出端。输入端的电压值和电流量表明电源向网络输送信号的情况，输出端的电压值和电流量说明负载接收信号的情况。因此输入端和输出端的电压及电流的量值比较能反映网络传输信号的效果[15]。

联系两端口网络输入端和输出端的电压、电流的关系式，称为两端口网络的基本方程式。两端口网络的基本方程式的一般表示形式为

式中：U1、I1为两端口网络正向传输时输入端的电压和电流；U2、I2为两端口网络正向传输时输出端的电压和电流。式（1）和式（2）分别为两端口网络正向传输时输入端和输出端的电压、电流的关系式（它们之间满足AD-BC=1），系数A、B、C和D称为两端口网络的T参数。不同结构的两端口网络，具有不同的T参数。

两端口网络T参数的简单求法，即开路、短路法。这也是一种常用来实际测量网络T参数的方法。

当输出端开路（I2=0）时，式（1）可写为

当输出端短路（U2=0）时，式（1）可写为

以下面的平衡网络和非平衡网络为例来求网络的T参数，如图5和图6所示。

图5 平衡网络Fig.5 Balanced network

图6 非平衡网络Fig.6 Unbalanced network

并且，4个系数之间满足关系式：

插入损耗指在传输系统的某处由于元件或器件的插入而发生的负载功率的损耗，它表示该元件或器件插入前负载上所接收到的功率与插入后同一负载上所接收到的功率以分贝为单位的比值。其定义为

式中：P1为输入到输出端口的功率，单位为mW；P2为从输出端口接收到的功率，单位为mW。将式（6）的功率之比转换为电压之比，其定义为

式中：U1为输入端口的电压，V；U2为输出端口的电压，V。由式（1）、式（2）、式（3）可得出，平衡传输方式的输出与输入电压之比为

由式（1）、式（2）、式（4）可得出，非平衡传输方式的输出与输入电压之比为

2 试验方案及数据分析

2.1 试验方案

电阻在接入电路之前先使用LCR-816高精密测试仪测试其实际电阻，试验中所用退耦电阻R的阻值依次为2.2 Ω、2.7 Ω、3.0 Ω、5.1 Ω、6.2 Ω、7.5 Ω、10 Ω。同时，用LCR-816高精密测试仪测试气体放电管和TVS的分布电容值，选用合适的器件。由于气体放电管的分布电容值比较小，只有1 pF～5 pF，试验时选用电容值为3.7 pF的气体放电管。而TVS的分布电容值比较高，试验时选用了一系列的TVS，其分布电容值分别为32 pF、121 pF、253 pF、488 pF、720 pF、972 pF、1952 pF、2310 pF、3380 pF。

试验采用Agilent E4422B信号源和Agilent 54832D混合信号示波器测量被测网络在-3 dB和-6 dB处的频率。Agilent E4422B信号源的频率为250 kHz～4.0 GHz，示波器的参数为 1 GHz、4 GSa/s。试验的接线原理图如图7所示，被测网络为图1所示的平衡信号SPD和图2所示的非平衡信号SPD，信号源的RF OUTPUT 50Ω端口接信号SPD第一级处的端口，将示波器的CH1通道和CH2通道分别接到信号SPD的第一级和第二级处的端口。用信号源产生正弦波，用示波器显示被测网络两端的电压波形，CH1通道为信号源提供给被测网络的电压波形，CH2通道为经过被测网络之后的输出电压波形。试验时，采用点频法，将信号源的RF ON/OFF按钮调为ON状态，功率设置为10 dBm，调节频率，用U1表示输入电压，U2表示输出电压，从示波器读取U1和U2的值。

图7 接线原理图Fig.7 Wiring schematic diagram

2.2 数据分析

2.2.1 平衡传输方式的数据分析

试验所得的典型幅频特性曲线如图8所示：纵坐标表示插入损耗，由式（7）计算得出，横坐标表示频率。图8（a）、8（c）表示TVS的分布电容值为32 pF时，退耦电阻值为2.2 Ω和10 Ω的幅频特性曲线，对比图8（a）、8（c）两图，可以得出-3 dB处的频率都接近80 MHz，-6 dB处的频率都接近90 MHz；图8（b）、8（d）表示TVS的分布电容值为3 380 pF时，退耦电阻值为2.2 Ω和10 Ω的幅频特性曲线，对比图8（b）、8（d）两图，可以得出退耦电阻为2.2 Ω时，-3dB处的频率约为5MHz，-6dB处的频率约为7MHz；退耦电阻为10 Ω时，-3 dB处的频率约为2 MHz，-6 dB处的频率约为4 MHz。由此说明，分布电容一定时，不同退耦电阻值所对应的-3 dB和-6 dB处的频率相差很小，这表明退耦电阻的阻值对本试验的影响较小，即对信号传输的影响不大。当退耦电阻值为10 Ω时，TVS的分布电容值为32 pF和3 380 pF的幅频特性曲线如图8（c）、8（d），随TVS分布电容值的增大，-3 dB和-6 dB带宽减小。

图8 典型的幅频特性曲线Fig.8 The typical amplitude-frequency characteristic curves

退耦电阻的阻值一定时，频率随TVS分布电容值的变化曲线如图9所示。图9（a）、9（b）为幅频特性曲线-3 dB处的频率随TVS分布电容值的变化曲线，图9（c）、9（d）为幅频特性曲线-6 dB处的频率随TVS分布电容值的变化曲线，图9（e）、9（f）为幅频特性曲线-3 dB与-6 dB处的频率随TVS分布电容值变化的对比曲线。由图可以看出：当退耦电阻的阻值一定时，随TVS分布电容值的增加，-3 dB与-6 dB处的频率都不断减小；当分布电容值小于500 pF时，频率减小的速度更快，之后缓慢减小，最后趋于稳定。由图9（a）、9（c）可以看出，当3种电阻的阻值间隔较小时，曲线近似重合，表明退耦电阻的阻值对-3 dB和-6 dB处的频率影响较小。

图9 频率随TVS分布电容值的变化曲线Fig.9 The variations of frequency with the TVS distributed capacitance

TVS的分布电容值一定时，幅频特性曲线-3 dB和-6 dB处的频率随退耦电阻的变化曲线如图10所示。图10（a）、10（b）为-3 dB处的频率随退耦电阻的变化曲线，图10（c）、10（d）为-6 dB处的频率随退耦电阻的变化曲线，由图10（a）、10（b）可以看出：当TVS的分布电容值一定时，随退耦电阻阻值的增加，-3 dB处的频率呈降低的趋势，但降低的幅度很小；当TVS的分布电容值为32 pF时，频率大约为80 MHz；当TVS的分布电容值为3 380 pF时，频率大约为5 MHz。TVS的分布电容值越大，-3 dB处的频率越小。图10（c）、10（d）中-6 dB处的频率随退耦电阻的变化趋势与-3 dB处的频率随退耦电阻的变化趋势相似。由此表明-3 dB与-6 dB处的频率与TVS的分布电容值有关，而与退耦电阻的阻值关系较小。

图10 频率随退耦电阻的变化曲线Fig.10 The variations of frequency with the decoupling resistance

-3 dB处的试验数据见表1：当TVS的分布电容值一定时，随退耦电阻的阻值不断增大，-3dB处的频率有降低的趋势，但降低的陡度比较小；当退耦电阻的阻值一定时，随TVS分布电容值的增加，-3 dB处的频率不断减小。当TVS的分布电容值较小时，即32～488 pF时，频率值相对较大，且随分布电容值的增大，频率较低的陡度较大，之后缓慢降低，到2 000 pF以上时，频率只有几兆赫兹。在本次实验中，从信号衰减的角度分析，频率越高，衰减越大，所以TVS的分布电容值取500～3 500 pF最佳，而退耦电阻的阻值范围为2.2～10 Ω。-6 dB处的试验数据如表2所示：频率随退耦电阻和TVS分布电容值变化的规律与-3dB处的相同。

2.2.2 非平衡传输时的数据分析

试验所得的典型幅频特性曲线如图11所示：纵坐标表示插入损耗，由式（7）计算得出，横坐标表示频率。图11表示退耦电阻为10 Ω时，TVS的分布电容分别为32 pF和3 380 pF时的幅频特性曲线，从图11中可看出：TVS的分布电容为32 pF时，-3 dB处的带宽约为70 MHz，-6 dB处的带宽约为80 MHz；TVS的分布电容为3 380 pF时，-3 dB和-6 dB处的带宽均为5 MHz左右。各参数的变化规律与平衡传输时的相似，两者的区别体现在：平衡传输在-3dB和-6dB处的频率比非平衡传输的大。

表1 电路在-3 dB处的频率Table 1 The frequency of the circuit at-3 dB

表2 电路在-6 dB处的频率Table 2 The frequency of the circuit at-6 dB

图11 典型的幅频特性曲线Fig.11 The typical amplitude-frequency characteristic curves

退耦电阻的阻值一定时，频率随TVS分布电容值的变化曲线如图12所示。图12（a）为-3 dB处频率随分布电容的变化，图12（b）为-6 dB处频率随分布电容的变化，图形的变化趋势与平衡传输的相似。当TVS的分布电容较小时，非平衡传输的频率比平衡传输的频率小10 MHz左右。

图12 频率随TVS分布电容值的变化曲线Fig.12 The variations of frequency with the TVS distributed capacitance

TVS的分布电容值一定时，幅频特性曲线-3 dB和-6 dB处的频率随退耦电阻的变化曲线如图13所示。图13（a）为-3 dB处的频率随退耦电阻的变化曲线，图13（b）为-6 dB处的频率随退耦电阻的变化曲线。由图可得出：当TVS的分布电容一定时，频率几乎不随退耦电阻的阻值大小变化，但总的变化趋势仍与平衡传输的比较相似。

-3 dB处的试验数据如表3所示，-6 dB处的试验数据如表4所示：当TVS的分布电容值一定时，随退耦电阻的阻值不断增大，-3 dB和-6 dB处的频率几乎不变；当退耦电阻的阻值一定时，随TVS分布电容值的增加，-3 dB和-6 dB处的频率不断减小，其变化规律与平衡传输的相似。

图13 频率随退耦电阻的变化曲线Fig.13 The variations of frequency with the decoupling resistance

表3 电路在-3 dB处的频率Table 3 The frequency of the circuit at-3 dB

表4 电路在-6dB处的频率Table 4 The frequency of the circuit at-6 dB

3 结论

分析平衡信号SPD对信号传输的影响时，首先要分析平衡信号SPD和两端口网络的工作原理和性能参数。选用合适的SPD，既能抑制过电压、释放雷电能量，保证设备正常运行，又不影响信号的传输。本次试验得到的结论如下：

1）TVS分布电容值一定时，随退耦电阻阻值的增加，幅频特性曲线-3dB和-6dB处的频率变化较小；当退耦电阻的阻值一定时，幅频特性曲线-3 dB和-6 dB处的频率都随TVS分布电容值的增大而不断减小。

2）当TVS分布电容值为32～488 pF时，幅频特性曲线-3 dB和-6 dB处的频率相对较高，且随分布电容值的增大，频率降低的陡度较大，之后缓慢降低，最后趋于稳定；从整体上看，平衡传输时的频率比非平衡传输时大；当TVS分布电容较小时，平衡传输时的频率比非平衡传输时大约10 MHz，相差较大，当TVS分布电容较大时，只相差1～2 MHz。

3）从信号衰减的角度分析，频率越高，衰减越大，TVS的分布电容值在500 pF～3 500 pF，平衡传输时的幅频特性曲线-3 dB的频率范围为2～20 MHz，-6 dB的频率范围为5～25 MHz，非平衡传输时的幅频特性曲线-3 dB的频率范围为5～17 MHz，-6 dB的频率范围为6～20 MHz。在不影响信号传输的前提下，退耦电阻的取值范围一般为2.2～10 Ω。

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Analysis on the Impact of Signal Surge Protective Device on Signal Transmission

LI Xiangchao,CHEN Liangying,ZHANG Jing,XUE Qi
（Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters,Nanjing University of Information Scienceamp;Technology， Nanjing 210044， China）

Signal surge protective device(SPD)affecting signal transmission mainly manifests as the distributed capacitance of transient voltage suppressor(TVS).By analyzing the principle of balanced signal SPD and unbalanced signal SPD circuit,the signal SPD is equivalent to two-port network.Based on the T parameter model of two-port network and using the method of combining the theory and experiment,the experiment conclusions are as follows:when the value of the distributed capacitance of TVS is constant,decoupling resistance has little influence on the frequencies which are at-3 dB and-6 dB of the amplitude frequency characteristic curve respectively;if the value of decoupling resistance is certain,with the increase of TVS,the frequency decreases at-3 dB and-6 dB;considering from the point of signal transmission,the higher the frequency is,the greater the attenuation is.The values of the distributed capacitance of the TV sare from 500 pF to 3 500 pF,in the amplitude frequency characteristic curve,the frequency range of balanced transmission varies from 2 MHz to 20 MHz at-3 dB and 5 MHz to 25 MHz at-6 dB,while the unbalanced transmission varies from 5 MHz to 17 MHz at-3 dB and 6 MHz to 20 MHz at-6 dB.These have great reference value in the application of lightning protection.

signal SPD；amplitude frequency characteristics；decoupling resistance；distributed capacitance

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.05.002

2016-05-05

李祥超（1969—），男，副教授，主要从事电涌保护器研发与测试。

国家自然科学基金（编号：2081031201065）。