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保护高速网络云服务

时间:2018-07-06 作者:Phillip Havens,Littelfuse公司标准和 阅读:
对于G.fast等高带宽线路,放置在线路上的任何电路保护元件的电容都可能会降低信号强度,从而降低其速率和覆盖范围。但是节点中的G.fast调制解调器和电路必须受到保护,防止雷电引起的浪涌造成损坏。

越来越多的业务和个人信息都存储在“云”中,当今时代,确保快速、可靠地访问这些信息比以往任何时候都更为重要。电话服务供应商有强大的经济动力,可提供与那些只通过有线公司开展的业务竞争的服务包。换句话说,他们希望同步、无缝地向用户传递语音、数据、视频和互联网连接。

光纤网络已经逐步为各地的社区带来高速连接,但对于电信供应商来说,他们需要使用其现有的铜线。如此一来,G.FAST技术应运而生,由于电信供应商分阶段进行光纤部署,该技术可以弥补这方面的不足,使客户获得类似光纤的接入速度。由于在经济上扩大宽带覆盖的巨大潜力,一些行业专家预测G.FAST芯片全球市场将增至29亿美元。

通过如下方式,G.FAST使高效高速连接成为可能:电信公司将光纤安装到远程终端(又称光纤到节点,或FTTN),然后利用已到位的铜线基础设施在距离用户端“最后一英里”的区域设立分支(图1)。G.FAST技术采用宽频带宽(高达106MHz,有潜力达到212MHz)向用户提供话音/数据/视频/互联网。多点FTTN可使电信公司以更经济高效的方式向客户提供高速数据。没有必要为每个新用户“上门服务”,用户可以在几分钟内自行安装新的G.FAST调制解调器,并将其插入到自己的系统中。

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图1:FTTdp接入网。

G.fast技术与FTTdp(光纤到配电点)、多端口FTTdp、FTTC(光纤到路边)和FTTH(光纤到户)互补,提供了不限制现有光纤带宽的优势(几乎和以前的XDSL技术一样)。例如,尽管VDSL2最高速度为100Mbps,但达到该速度需要用绑定(即使用两对双绞线)和矢量化来消除串扰。同样,ADSL2+的最高速度为10Mbps,ADSL2的最高速度为5Mbps,ADSL的速度限值为1Mbps。相比之下,G.fast在100m单根双绞线(24AWG/0.5mm)电缆上的目标数据速率为1Gbps;对该技术的持续改进可提供更快的数据速度,拓宽其应用前景(图2)。G.fast芯片组技术的先驱Sckipio进行的研究也表明,在速度高达数百Mbps的情况下,距离可达500m。

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图2:FTTdp G.fast架构。

G.fast电路保护所面临的挑战

对于G.fast等高带宽线路,放置在线路上的任何电路保护元件的电容都可能会降低信号强度,从而降低其速率和覆盖范围。但是节点中的G.fast调制解调器和电路必须受到保护,防止雷电引起的浪涌造成损坏。尽管用户端设备(CPE)设计人员可采取三种基本的电路保护方案——气体放电管(GDT)、瞬态电压抑制(TVS)二极管阵列和保护型晶闸管,但无论他们选择何种方案,都必须使其设计至少能符合TIA-968B(以前称为FCC第68部分)的浪涌要求。在美国,任何连接到公共交换电话网络(PSTN)的通信设备均需具备此性能。其他国家也有类似要求,如表1所示。一些G.fast供应商可能会倾向于在美国市场采用符合GR-1089-Core的安全设计。

GDT、TVS二极管阵列和保护型晶闸管在G.fast电路保护方面各有优缺点:

• GDT的优点包括浪涌电流额定值高达20kA,电容额定值低至1pF,0V偏压。由于其浪涌额定值很高,这种器件通常用于一次保护,但是由于其对高频元件的干扰很低,因此有时也将其用于高速数据链路。但是,对于G.fast应用来说它们也有一些缺点,包括初始电压阈值过高(这意味着在遇到超过系统正常工作电压的浪涌时,其可能无法在足够低的阈值下激活以保护电路),安装于黑暗环境中时GDT性能特征可能会发生变化,占用空间相对较大,电源故障期间会产生热积累。

• TVS二极管阵列是可提供低电压阈值导通值的钳位型器件。然而,由于其钳位特性,它们会耗散更高的功率,因此必须加大尺寸,以实现类似于晶闸管撬棍(crowbar)器件的浪涌额定值。这种尺寸较大的硅封装可产生可能与高带宽信号不兼容的较高断态电容值。

• 保护型晶闸管是一种PNPN器件,可以被认为是没有门极的晶闸管。当它超过峰值断态电压(VDRM)时,它会将瞬态电压钳位在器件的开关电压(VS)额定值内。然后,一旦流经它的电流超过其开关电流,它就会快速切断电源而模拟短路状况。而流经它的电流小于其载流(IH)时,它将复位并恢复到其高断态阻抗。该应用的下一代保护型晶闸管优点包括响应时间快速、电气特性稳定、长期可靠性和电容较低。而且由于它们是crowbar器件,不会因电压造成损坏。

在美国,电信公司在其网络侧安装的设备(例如在附近装有光网络终端设备(ONT)的机柜中),其电路保护必须符合NEBS(网络设备构建系统)设计指南,这反过来可能需要符合GR-1089第6期端口类型3浪涌。由于这些回路很短,端口类型可被指定为类型3a/5a。每个供应商应界定其自身的防雷电要求。端口类型3是这类设备中的最严重情况。

最新一代保护型晶闸管旨在保护电信设备在功能上符合GR-1089的高浪涌电平要求,只要它正确位于变压器和DSL驱动器之间的电路中即可(图3)。变压器衰减浪涌。如果元件与接入点(通常是RJ11连接器)之间存在足够的阻抗(例如在这些类型应用中实现的高通滤波器),则该元件也可以放置在变压器的线路侧。

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图3:G.fast信号的幅度远远低于现有xDSL服务的幅度,因此保护型晶闸管两端的电压变化也非常小。由此导致的电容变化几乎察觉不到。如果器件处于第三级位置(如上图所示),速率和范围测试显示损耗小于0.2dB,可以接受。

对于G.fast设计人员而言最新一代保护型晶闸管的优点

开发G.fast硬件的电路设计人员而言,最新一代的保护型晶闸管具备诸多优点:

• 将其正确贴装到印刷电路板(PCB)布局中时,它可为安装在用户端的G.fast调制解调器和位于光网络终端(ONT)设备中的G.fast驱动器提供雷电浪涌保护,此时光纤将被终止并且信号被转换为模拟信号(参见图3中的线驱动器参考设计)。欲了解有关此参考设计的更多信息,请参阅《G.fast Line Driver Tertiary Overvoltage Protection Application Brief(G.fast线路驱动器三次过压保护应用简介)》。

• 还可用于保护各种电信设备对GR-1089的高浪涌电平要求,最新一代保护型晶闸管可防止信号衰减。这种能力是初始低断态电容(最大值仅为2.0pF)和电容过压波动极小所带来的,因此可以避免干扰稳态信号(电容变化对DSL信号进行解调)。总之,极低的电容和极低的电容变化为G.fast服务提供了最大的速率和覆盖范围。

• 借助各种截止电压,它可与G.fast功率谱密度(PSD)限值兼容,它还可用于与VDSL2向后兼容的G.fast芯片组。在这些情况下,许多线驱动器将增加其输出电压范围,以便在它们“回落”到VDSL2模式的情况下符合VDSL2 PSD限值。这种新设计提供的较高截止电压与VDSL2典型的较高稳态电压兼容。由于SOT-23-6封装提供了流通式设计,可简化电路板布局设计工艺,因此PCB信号衰减更低。当PCB设计师对电路板进行布局时,该器件可使设计人员在设计时保持PCB走线平行,并且不需要短截线连接——两种情况均可能导致线路上的阻抗失配。

• 高浪涌额定值(最小30A)可在雷击引起的浪涌突降或穿过正极线和负极线对时,为G.fast调制解调器提供良好保护。撬棍型器件看起来就像是一个可以将浪涌电流从G.fast线路驱动器中分流出去的短路,从而防止线路驱动器损坏。一旦浪涌事件完毕,晶闸管自动复位,调制解调器继续运行。15至16A的浪涌额定值通常无法提供充分保护,并且对于经受更严重暴露的G.fast应用来说保护能力是不够的(包括GR-1089第6期建筑物间要求和ITU K20/21/45补充外部线路建议)。

总结

与现有的GDT和TVS二极管阵列的优缺点相比,最新一代保护型晶闸管与G.fast技术相结合,可以提供最先进的屏蔽电路保护,对电信公司及其商业和住宅客户来说,均可更快速、更轻松、更方便地访问云服务。

《EDN电子技术设计》2018年7月刊版权所有,谢绝转载。

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