建造一條從社區(qū)到云端的快車道

Littelfuse公司標(biāo)準(zhǔn)與應(yīng)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(gè)人和商業(yè)信息越來越少的以模擬形式存儲(chǔ)。數(shù)字信息越來越多地存儲(chǔ)在“云端”中允許人們從任何地方訪問它。 因此，確?？焖?，可靠和安全地訪問此信息比以往任何時(shí)候都更加重要。 為了保持競爭力，電話服務(wù)提供商需要提供一攬子服務(wù)，這些服務(wù)可以與曾經(jīng)只有有線電視公司提供的服務(wù)競爭。 換句話說，他們需要能夠同時(shí)無縫地為客戶提供經(jīng)濟(jì)高效的語音，數(shù)據(jù)，視頻和互聯(lián)網(wǎng)連接的工具。

當(dāng)光纖遇到銅

光纖網(wǎng)絡(luò)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(jìn)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(shù)，它會(huì)讓客戶可以獲得類似光纖的接入速度，而電信供應(yīng)商可以逐步實(shí)現(xiàn)光纖部署。 由于更經(jīng)濟(jì)地?cái)U(kuò)大寬帶覆蓋范圍的巨大潛力，一些行業(yè)專家預(yù)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(bào)告”。2016年4月20日發(fā)布。

圖1：光纖到分配點(diǎn)(FTTdp)接入網(wǎng)絡(luò)解決方案

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

圖2：FTTdp G.fast 架構(gòu)

G.fast 技術(shù)(圖1和圖2)是對FTTdp(光纖到分配點(diǎn))、多端口FTTdp、FTTC(光纖到終端或機(jī)柜)和FTTH(光纖到家庭)的補(bǔ)充，其優(yōu)點(diǎn)是不像以前的xDSL技術(shù)那樣限制可用光纖帶寬。例如，當(dāng)VSL 2達(dá)到100 Mbps時(shí)，達(dá)到這個(gè)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(shù)的目標(biāo)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(xiàng)技術(shù)的不斷改進(jìn)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(shù)的先驅(qū)，該公司正在進(jìn)行的研究也開始表明，在提供高達(dá)數(shù)百兆比特/秒的速度的情況下，距離可達(dá)500米。

電路保護(hù)和G.fast技術(shù)

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(hù)元件產(chǎn)生的電容都有可能降低信號(hào)質(zhì)量，從而降低其速率和范圍(圖3)。然而，節(jié)點(diǎn)中的G.fast調(diào)制解調(diào)器和電路不能不受雷電引起的浪涌的影響。雖然客戶端設(shè)備(CPE)設(shè)計(jì)人員有三種基本的電路保護(hù)選項(xiàng) - 氣體放電管(GDT)，TVS(瞬態(tài)電壓抑制器)SPA(硅保護(hù)陣列)和SIDACtor®保護(hù)系統(tǒng) - 無論他們選擇什么，都必須允許他們的設(shè)計(jì)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(shè)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(yīng)商可能贊成在美國市場使用符合GR-1089-CORE的更強(qiáng)大的設(shè)計(jì)。

圖3：G.fast的電路保護(hù)的社區(qū)視圖

做出最佳電路保護(hù)選擇

對于G.fast電路保護(hù)應(yīng)用來說，GDT，TVS SPA和SIDACtor保護(hù)晶閘管各有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：

·GDT的優(yōu)點(diǎn)包括浪涌電流額定值高達(dá)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(hù)，因?yàn)樗鼈兙哂懈呃擞款~定值，但它們對高頻分量的低干擾有時(shí)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(yīng)用也有一些明顯的缺點(diǎn)，包括過高的初始電壓閾值(這意味著當(dāng)浪涌超過系統(tǒng)的正常工作電壓時(shí)，它們可能無法在保護(hù)電路所需的足夠低的閾值下激活)，GDT性能特征，當(dāng)安裝在黑暗的地方時(shí)可能會(huì)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(dǎo)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(shí)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(dǎo)致更高的關(guān)態(tài)電容值，這可能與高帶寬信號(hào)不兼容。

·SIDACtor保護(hù)晶閘管是PNPN元件，可以被認(rèn)為是沒有柵極的晶閘管元件。 當(dāng)超過其峰值關(guān)斷狀態(tài)電壓(VDRM)時(shí)，它會(huì)將瞬態(tài)電壓鉗位在器件的開關(guān)電壓(VS)額定值范圍內(nèi)。 然后，一旦流過它的電流超過其開關(guān)電流，它將撬開并模擬短路情況。 當(dāng)流過它的電流小于其保持電流(IH)時(shí)，它將復(fù)位并返回其高斷態(tài)阻抗。 SIDACtor保護(hù)晶閘管在此應(yīng)用中的優(yōu)勢包括快速響應(yīng)時(shí)間，穩(wěn)定的電氣特性，長期可靠性和低電容。 并且，因?yàn)樗鼈兪乔斯餮b置，所以它們不會(huì)被電壓損壞。

區(qū)域考慮因素

在美國，電信公司在其網(wǎng)絡(luò)側(cè)安裝的設(shè)備的電路保護(hù)(例如，在附近的光網(wǎng)絡(luò)終端(ONT)單元的機(jī)柜中)必須符合NEBS(網(wǎng)絡(luò)) 設(shè)備構(gòu)建系統(tǒng))設(shè)計(jì)指南，反過來可能要求符合GR-1089第6版，端口類型3浪涌。 **因?yàn)檫@些是短循環(huán)，所以端口類型可以指定為類型3a / 5a。 每個(gè)供應(yīng)商將定義其特定的抗雷電性要求。 對于此類設(shè)備，端口類型3是最嚴(yán)重的情況。 有關(guān)端口類型的更多信息，請參閱表2。

圖4. DSLP偏置系列SIDACtor保護(hù)晶閘管結(jié)合了過壓保護(hù)和與高帶寬電信協(xié)議兼容的容性負(fù)載特性，如G.fast。 它們所基于的EpiSCR硅撬棍技術(shù)提供了比傳統(tǒng)鉗位硅技術(shù)(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(shí)不影響信號(hào)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(yīng)”。

最新版本的SIDACtor保護(hù)晶閘管(圖4)旨在保護(hù)電信設(shè)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(qū)動(dòng)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(diǎn)(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(cè)，例如在這些類型的應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)的高通濾波器。

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

用于G.fast應(yīng)用的保護(hù)晶閘管的優(yōu)點(diǎn)

最新的SIDACtor保護(hù)晶閘管設(shè)計(jì)為電路設(shè)計(jì)人員開發(fā)G.fast硬件提供了多種優(yōu)勢。 當(dāng)正確地集成到PCB布局中時(shí)，它為安裝在客戶端的G.fast調(diào)制解調(diào)器和位于光纖網(wǎng)絡(luò)終端(ONT)單元中的G.fast驅(qū)動(dòng)器提供雷電浪涌保護(hù)，光纖終端和信號(hào)被轉(zhuǎn)換。 成為模擬信號(hào)。 該元件已設(shè)計(jì)到Sckipio G.fast線路驅(qū)動(dòng)器參考設(shè)計(jì)中(圖5)。 有關(guān)該參考設(shè)計(jì)的更多信息，請參見“G.fast線路驅(qū)動(dòng)器三級(jí)過壓保護(hù)應(yīng)用簡介”。

這種新設(shè)計(jì)還可用于保護(hù)各種電信設(shè)備滿足GR-1089功能的高浪涌水平要求。 它可以防止信號(hào)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(dòng)的電容變化極小，因此不會(huì)產(chǎn)生干擾 具有穩(wěn)態(tài)信號(hào)(電容的變化解調(diào)DSL信號(hào))。 同時(shí)，極低的電容和超低的電容變化可實(shí)現(xiàn)G.fast服務(wù)的最大速率和覆蓋范圍。

由于這種新的晶閘管設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)器將增加其輸出電壓范圍，以便在它們“回退”到VDSL2模式時(shí)滿足VDSL2 PSD限制。 這種新設(shè)計(jì)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(hào)衰減，因?yàn)樗峁┝肆魍ㄔO(shè)計(jì)，簡化了電路板布局過程。 當(dāng)電路板設(shè)計(jì)師布置電路板時(shí)，該元件允許設(shè)計(jì)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(dǎo)致線路上的阻抗不匹配。

新的晶閘管設(shè)計(jì)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(shí)為G.fast調(diào)制解調(diào)器提供出色的保護(hù)。 撬棍型元件看起來像一個(gè)短路，將浪涌電流從G.fast線路驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)移，防止其受損。 一旦浪涌事件過去，晶閘管就會(huì)自動(dòng)復(fù)位，調(diào)制解調(diào)器繼續(xù)運(yùn)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(shè)計(jì)的峰值電流浪涌額定值足以滿足最嚴(yán)苛的G.fast應(yīng)用，包括GR-1089第6期建筑物間要求和ITU K20 / 21/45增強(qiáng)型外線建議。

將最先進(jìn)的撬桿電路保護(hù)方案和g.fast技術(shù)結(jié)合起來，將使訪問云端中存儲(chǔ)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(shè)計(jì)G.fast設(shè)備時(shí)，大多數(shù)公司都希望設(shè)計(jì)出符合全球標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備必須符合表1所示建議中列出的基本或增強(qiáng)型浪涌耐受水平。

表1.與G.fast設(shè)備設(shè)計(jì)相關(guān)的全球電涌保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

·ITU-T K.20“電信中心安裝的電信設(shè)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(shè)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(luò)中的電信設(shè)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(jí))本標(biāo)準(zhǔn)的最高級(jí)別。 (測試和測量技術(shù)) - 浪涌抗擾度(雷電浪涌效應(yīng))測試第3版)，這在其他歐洲和亞洲國家是必需的。

有關(guān)這些標(biāo)準(zhǔn)要求的更多信息，請參閱Littelfuse免費(fèi)提供的“以太網(wǎng)保護(hù)設(shè)計(jì)指南”

表2.GR-1089包含一級(jí)和二級(jí)建筑物間和建筑物內(nèi)防雷試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用。 他擁有路易斯安那理工大學(xué)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(hù)以及電信相關(guān)行業(yè)協(xié)會(huì)，如ITU，TIA，ATIS，IEC，IEEE，PEG和UL497 / 60950-1 / 62368-1 STP。 他還幫助定義，指導(dǎo)和支持公司的硅基保護(hù)產(chǎn)品線。 可以通過phavens@littelfuse.com與他聯(lián)系。