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保护高速网路云服务
 

【作者: Phillip Havens】2018年07月04日 星期三

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越来越多的业务和个人资讯都储存在「云」中,当今时代,确保快速、可靠地浏览这些资讯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??同步、无缝地向使用者传递语音、资料、视频和互联网连接。


光纤网路已经逐步为各地的社区带来高速连接,但对於电信供应商来说,他们需要使用其现有的铜线。如此一来,G.FAST技术应运而生,由於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。由於在经济上扩大宽频覆盖的巨大潜力,一些行业专家预测G.FAST晶片全球市场将增至29亿美元。[1]



图1 : FTTdp接入网。
图1 : FTTdp接入网。

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端终端机(又称光纤到节点,或FTTN),然後利用已到位的铜线基础设施在距离客户驻地「最後一英里」的区域设立分支。G.FAST技术采用宽频带宽(高达106 MHz,具有高达212 MHz的电位)向使用者提供话音/资料/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资料,没有必要为每个新使用者「上门服务」,使用者可以在几分钟内自行安装新的G.FAST数据机,并将其??入到自己的系统中。


G.fast技术与FTTdp(光纤到配电点)、多埠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频宽的优势(几??和以前的XDSL技术一样)。例如,尽管VDSL2最高速度为100 Mbps,但达到该速度需要黏合(即使用两根双绞线)和向量化来消除串扰。


同样,ADSL2+的最高速度为10 Mbps,ADSL2的最高速度为5 Mbps,ADSL的速度限值为1 Mbps。相比之下,G.fast在100米单根双绞线(24 AWG / 0.5 mm)电缆上的目标资料速率为1 Gbps;对该技术的持续改进可提供更快的资料速度,拓宽其应用前景。G.fast晶片组技术的先驱Sckipio进行的研究也显示,在速度高达数百兆比特/秒的情况下,距离可达500米。



图2 : FTTdp G.fast架构。
图2 : FTTdp G.fast架构。

G.fast电路保护所面临的挑战

对於G.fast等高频宽线路,放置线上路上的任何电路保护元件的电容都可能会降低讯号强度,从而降低其速率和覆盖范围。但是节点中的G.fast数据机和电路必须受到保护,防止雷电引起的浪涌造成损坏。尽管客户驻地设备(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)二极体阵列和保护型晶闸管,但他们所选择的任何设备都必须使其设计最小程度地符合浪涌TIA-968B(以前称为FCC第68部分)的要求。


在美国,任何连接到公共交换电话网络(PSTN)的通讯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供应商可能会倾向於在美国市场采用符合GR-1089-Core的安全设计。


GDT、TVS二极体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20 kA,电容额定值低至1 pF,0 V偏压。它们通常用於一次保护,这是因为它们的浪涌额定值很高,但是它们对高频元件的干扰度较低,由此可用於高速资料连结。但是,对於G.fast应用来说,它们也有一些缺点,包括初始电压??值过高(这意味着在发生超过系统正常工作电压的电涌时,它们可能无法在足够低的??值下启动以保护电路),安装於黑暗环境中时,GDT性能特徵可能会发生变化,占用空间相对较大、电源故障期间会产生热积累。


· TVS二极体阵列是可提供低电压??值导通值的箝位型元件。然而,由於其箝位特性,它们会耗散更高的功率水准,因此必须加大尺寸,以实现类似於晶闸管箝位元件的浪涌额定值。这种尺寸较大的矽封装可产生可能与高频宽讯号不相容的较高断态电容值。


· 保护型晶闸管是一种PNPN元件,可以被认为是没有栅极的晶闸管。当它超过峰值断态电压(VDRM)时,它会将瞬态电压箝位元在器件的开关电压(VS)额定值内。然後,一旦流经它的电流超过其开关电流,它就会快速切断(撬棍)并模拟短路状况。而流经它的电流小於其载流(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,包括回应时间快速、电气特性稳定、长期可靠性和电容较低,而且由於它们是开关型保护器,不会因电压造成损坏。


在美国,电信公司在网路侧安装设备的电路保护(例如安装光纤网路终端单元或ONT的附近机柜中)必须符合NEBS(网路设备建设系统)设计指南,这反过来可能需要符合GR-1089第6期埠类型3浪涌。[2]由於这些回路很短,埠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。埠类型3是这类设备中的最严重情况。有关埠类型的更多资讯,请叁见表2。


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,只要它正确位於变压器和DSL驱动器之间的电路中即可。变压器减弱突波。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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G.fast线驱动程式


图3 : G.fast讯号的幅度远远低於现有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??不可察觉。如果元件处於第三级位置,速率和可达性测试显示可接受损耗小於0.2 dB。
图3 : G.fast讯号的幅度远远低於现有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??不可察觉。如果元件处於第三级位置,速率和可达性测试显示可接受损耗小於0.2 dB。

最新一代保护型晶闸管的优点

开发G.fast硬体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,它可为安装在客户驻地的G.fast数据机和位於光纤网路终端(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讯号被转换为类比讯号(叁见图3中的线驱动器叁考设计)。


· 还可用於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讯号衰减。这种能力是初始低断态电容(最大值仅为2.0 pF)和电容过压波动极小所带来的,因此可以避免干扰稳态讯号(电容变化对DSL讯号的调解)。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)限值相容,它还可用於与VDSL2向後相容的G.fast晶片组。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相容。


· 由於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讯号衰减更低。当PCB设计师对电路板进行布局时,该元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30 A)为雷击引起的浪涌突降或穿过正极线和负极线对时G.fast数据机提供良好保护。箝位元型元件看起来就像是一个可以将浪涌电流从G.fast线驱动器中分流出去的短路,从而防止线驱动器损坏。


· 一旦浪涌事件完毕,晶闸管自动复位,数据机继续运行。15至16安培的浪涌额定值通常无法提供充分保护,并且对於经受更严重暴露的G.fast应用来说保护能力是不够的(包括GR-1089第6期建筑物间需求和ITU K20 / 21/45补充外部线路建议)。


结语

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


(Phillip Havens为Littelfuse标准和应用首席工程师)


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