Littelfuse公司標準與應用首席工程師Phillip Havens, PE撰寫

歲月流逝，世界變得越來越“數(shù)字化”，個人和商業(yè)信息越來越少的以模擬形式存儲。數(shù)字信息越來越多地存儲在“云端”中允許人們從任何地方訪問它。 因此，確保快速，可靠和安全地訪問此信息比以往任何時候都更加重要。 為了保持競爭力，電話服務提供商需要提供一攬子服務，這些服務可以與曾經(jīng)只有有線電視公司提供的服務競爭。 換句話說，他們需要能夠同時無縫地為客戶提供經(jīng)濟高效的語音，數(shù)據(jù)，視頻和互聯(lián)網(wǎng)連接的工具。

當光纖遇到銅

光纖網(wǎng)絡已開始為全國各地的社區(qū)帶來了高速連接，但為了使電信提供商能夠進入客戶所在地，他們需要利用他們已有的銅線。 這就需要用到G.fast 技術，它會讓客戶可以獲得類似光纖的接入速度，而電信供應商可以逐步實現(xiàn)光纖部署。 由于更經(jīng)濟地擴大寬帶覆蓋范圍的巨大潛力，一些行業(yè)專家預測G.fast 芯片的全球市場將每年增長29億美元*。

* “全球通用快速芯片市場2016-2021：行業(yè)增長、需求和研究報告”。2016年4月20日發(fā)布。

圖1：光纖到分配點(FTTdp)接入網(wǎng)絡解決方案

以下是G.fast 如何使經(jīng)濟的高速連接成為可能：電信公司將光纖安裝到遠程終端(也稱為光纖到節(jié)點或FTTN)，然后利用已經(jīng)存在的銅線基礎設施通過社區(qū)分配到“最后一英里”的客戶所在地。G.fast 技術使用非常寬的頻率帶寬(高達106 MHz，可能高達212 MHz)向用戶提供語音/數(shù)據(jù)/視頻/互聯(lián)網(wǎng)。 多點FTTN為電信公司提供了一種向客戶提供高速數(shù)據(jù)的更經(jīng)濟的方式。 對于每個新訂戶，沒有必要為社區(qū)提供上門服務，用戶可以在幾分鐘內自行安裝新的G.fast 調制解調器并將其插入自己的電源系統(tǒng)。

圖2：FTTdp G.fast 架構

G.fast 技術(圖1和圖2)是對FTTdp(光纖到分配點)、多端口FTTdp、FTTC(光纖到終端或機柜)和FTTH(光纖到家庭)的補充，其優(yōu)點是不像以前的xDSL技術那樣限制可用光纖帶寬。例如，當VSL 2達到100 Mbps時，達到這個速度需要鍵合(即使用兩對雙絞線)和矢量以抵消串音。類似地，ADSL2+的最高速度為10 Mbps，ADSL 2的最大速率為5 Mbps，ADSL限制在1 Mbps。相比之下，G.fast 技術的目標數(shù)據(jù)速率為1 Gbps，超過100米的單雙絞線(24 AWG/0.5毫米)電纜;這項技術的不斷改進提供了更快的數(shù)據(jù)速度的可能性，使得G.fast 的潛力更有希望。Sckipio是G.fast 芯片組技術的先驅，該公司正在進行的研究也開始表明，在提供高達數(shù)百兆比特/秒的速度的情況下，距離可達500米。

電路保護和G.fast技術

對于像G.fast這樣的高帶寬線路，放置在線路上的任何電路保護元件產(chǎn)生的電容都有可能降低信號質量，從而降低其速率和范圍(圖3)。然而，節(jié)點中的G.fast調制解調器和電路不能不受雷電引起的浪涌的影響。雖然客戶端設備(CPE)設計人員有三種基本的電路保護選項 - 氣體放電管(GDT)，TVS(瞬態(tài)電壓抑制器)SPA(硅保護陣列)和SIDACtor®保護系統(tǒng) - 無論他們選擇什么，都必須允許他們的設計盡量符合TIA-968B(以前稱為FCC Part 68)的浪涌要求。這對于連接到公共交換電話網(wǎng)(PSTN)的美國的任何通信設備都是必需的。其他國家也有類似的要求，如表1所示。一些g.fast供應商可能贊成在美國市場使用符合GR-1089-CORE的更強大的設計。

圖3：G.fast的電路保護的社區(qū)視圖

做出最佳電路保護選擇

對于G.fast電路保護應用來說，GDT，TVS SPA和SIDACtor保護晶閘管各有其優(yōu)點和缺點：

·GDT的優(yōu)點包括浪涌電流額定值高達20kA，電容額定值低至1pF，偏置電壓為0V。 它們通常用于主要保護，因為它們具有高浪涌額定值，但它們對高頻分量的低干擾有時使它們成為高速數(shù)據(jù)鏈路的可能性。 然而，它們對于G.fast應用也有一些明顯的缺點，包括過高的初始電壓閾值(這意味著當浪涌超過系統(tǒng)的正常工作電壓時，它們可能無法在保護電路所需的足夠低的閾值下激活)，GDT性能特征，當安裝在黑暗的地方時可能會改變，相對較大的占地面積，電源故障事件期間的熱積累問題等。

·TVS SPA是鉗位型元件，提供低電壓閾值導通值。 然而，由于它們的鉗位特性，它們消耗更高的功率水平，因此必須在形體上更大以實現(xiàn)與晶閘管撬桿元件類似的浪涌額定值。 這種形體上更大的硅封裝導致更高的關態(tài)電容值，這可能與高帶寬信號不兼容。

·SIDACtor保護晶閘管是PNPN元件，可以被認為是沒有柵極的晶閘管元件。 當超過其峰值關斷狀態(tài)電壓(VDRM)時，它會將瞬態(tài)電壓鉗位在器件的開關電壓(VS)額定值范圍內。 然后，一旦流過它的電流超過其開關電流，它將撬開并模擬短路情況。 當流過它的電流小于其保持電流(IH)時，它將復位并返回其高斷態(tài)阻抗。 SIDACtor保護晶閘管在此應用中的優(yōu)勢包括快速響應時間，穩(wěn)定的電氣特性，長期可靠性和低電容。 并且，因為它們是撬棍裝置，所以它們不會被電壓損壞。

區(qū)域考慮因素

在美國，電信公司在其網(wǎng)絡側安裝的設備的電路保護(例如，在附近的光網(wǎng)絡終端(ONT)單元的機柜中)必須符合NEBS(網(wǎng)絡) 設備構建系統(tǒng))設計指南，反過來可能要求符合GR-1089第6版，端口類型3浪涌。 **因為這些是短循環(huán)，所以端口類型可以指定為類型3a / 5a。 每個供應商將定義其特定的抗雷電性要求。 對于此類設備，端口類型3是最嚴重的情況。 有關端口類型的更多信息，請參閱表2。

圖4. DSLP偏置系列SIDACtor保護晶閘管結合了過壓保護和與高帶寬電信協(xié)議兼容的容性負載特性，如G.fast。 它們所基于的EpiSCR硅撬棍技術提供了比傳統(tǒng)鉗位硅技術(如TVS SPA)更好的浪涌能力，并降低了交流電源故障和多次瞬態(tài)浪涌或閃電引起現(xiàn)場故障的可能性，同時不影響信號完整性，特別是在高數(shù)據(jù)速率下。 采用節(jié)省空間的SOT23-6封裝，具有流通布局，可減少非流通PCB走線連接中常見的阻抗不匹配“短截線效應”。

最新版本的SIDACtor保護晶閘管(圖4)旨在保護電信設備在功能上符合GR-1089的高浪涌電平要求，只要它正確位于變壓器和DSL驅動器之間的電路中即可。 變壓器減弱浪涌。 如果SIDACtor組件與入口點(通常是RJ11連接器)之間有足夠的阻抗，也可以放置在變壓器的線路側，例如在這些類型的應用中實現(xiàn)的高通濾波器。

圖5. G.fast信號的幅度遠低于現(xiàn)有xDSL服務的幅度，因此SIDACtor保護晶閘管元件(此處為Littelfuse DSLPxx0T023G6)的變化電壓也非常低。 結果是電容的不可察覺的變化。 當元件處于第三位置時，速率和到達測試表明可接受的損耗小于0.2dB。

用于G.fast應用的保護晶閘管的優(yōu)點

最新的SIDACtor保護晶閘管設計為電路設計人員開發(fā)G.fast硬件提供了多種優(yōu)勢。 當正確地集成到PCB布局中時，它為安裝在客戶端的G.fast調制解調器和位于光纖網(wǎng)絡終端(ONT)單元中的G.fast驅動器提供雷電浪涌保護，光纖終端和信號被轉換。 成為模擬信號。 該元件已設計到Sckipio G.fast線路驅動器參考設計中(圖5)。 有關該參考設計的更多信息，請參見“G.fast線路驅動器三級過壓保護應用簡介”。

這種新設計還可用于保護各種電信設備滿足GR-1089功能的高浪涌水平要求。 它可以防止信號因其初始的低斷態(tài)電容而降低(市場上其他產(chǎn)品僅為2.0 pF最大3.0 pF或最大5.0 pF)，并且電容波動的電容變化極小，因此不會產(chǎn)生干擾 具有穩(wěn)態(tài)信號(電容的變化解調DSL信號)。 同時，極低的電容和超低的電容變化可實現(xiàn)G.fast服務的最大速率和覆蓋范圍。

由于這種新的晶閘管設計提供了各種隔離電壓，因此它與G.fast功率譜密度(PSD)限制兼容，但它也可用于與VDSL2向后兼容的G.fast芯片組。 在這些情況下，許多線路驅動器將增加其輸出電壓范圍，以便在它們“回退”到VDSL2模式時滿足VDSL2 PSD限制。 這種新設計提供的較高的隔離電壓與通常用于VDSL2的較高穩(wěn)態(tài)電壓兼容。

SOT-23-6封裝有助于降低PCB信號衰減，因為它提供了流通設計，簡化了電路板布局過程。 當電路板設計師布置電路板時，該元件允許設計人員保持PCB走線平行，并且無需短截線連接，這兩種情況都可能導致線路上的阻抗不匹配。

新的晶閘管設計還提供高浪涌額定值(最小30A)，以便在閃電引起的浪涌下降或跨越尖端和環(huán)對時為G.fast調制解調器提供出色的保護。 撬棍型元件看起來像一個短路，將浪涌電流從G.fast線路驅動器轉移，防止其受損。 一旦浪涌事件過去，晶閘管就會自動復位，調制解調器繼續(xù)運行。 大多數(shù)其他行業(yè)解決方案僅提供15至16安培的浪涌額定值。 新設計的峰值電流浪涌額定值足以滿足最嚴苛的G.fast應用，包括GR-1089第6期建筑物間要求和ITU K20 / 21/45增強型外線建議。

將最先進的撬桿電路保護方案和g.fast技術結合起來，將使訪問云端中存儲的信息變得更快、更容易，對電信公司及其商業(yè)和住宅客戶來說也更加可靠。

在設計G.fast設備時，大多數(shù)公司都希望設計出符合全球標準的電路。 對于歐洲，亞洲，中東和一些南美國家等國際地區(qū)，設備必須符合表1所示建議中列出的基本或增強型浪涌耐受水平。

表1.與G.fast設備設計相關的全球電涌保護標準

·ITU-T K.20“電信中心安裝的電信設備對過電壓和過電流的抗擾性”

·ITU-T K.21“客戶駐地中安裝的電信設備對過電壓和過電流的抗擾性”

·ITU-T K.45“安裝在接入和干線網(wǎng)絡中的電信設備對過電壓和過電流的抗性”

·YD / T 950-1998(類似于ITU-T K.20)

·YD / T 993-1998(類似于ITU-T K.21)

·YD/T 1082-2000

·IEC 6100-4-5(5級)本標準的最高級別。 (測試和測量技術) - 浪涌抗擾度(雷電浪涌效應)測試第3版)，這在其他歐洲和亞洲國家是必需的。

有關這些標準要求的更多信息，請參閱Littelfuse免費提供的“以太網(wǎng)保護設計指南”

表2.GR-1089包含一級和二級建筑物間和建筑物內防雷試驗條件。具體的浪涌情況取決于端口類型。

作者注釋

Phillip Havens是Littelfuse的首席工程師 - 標準和應用。 他擁有路易斯安那理工大學的BSEE和MSEE，并且是一名持牌專業(yè)工程師。 他代表Littelfuse參與電子安全，電路保護以及電信相關行業(yè)協(xié)會，如ITU，TIA，ATIS，IEC，IEEE，PEG和UL497 / 60950-1 / 62368-1 STP。 他還幫助定義，指導和支持公司的硅基保護產(chǎn)品線。 可以通過phavens@littelfuse.com與他聯(lián)系。