为什么VDSL设备要求采用PPTC和GDT组合保护方案?

上网时间: 2010年06月22日? 作者:Matthew Williams 全球应用工程经理 泰科电子Raychem电路保护产品部? 我来评论 【字号: ? ?小】

关键字:气体放电管? VDSL?

电信设备必须如相关标准规定的那样能够抵御由电压/电流浪涌和电源故障造成的威胁。这一保护可在远端或设备终端或两者兼用的方式来实现。此外,也可通过使设备更“可靠”来实现这一保护。

当设计电路保护策略时,通盘考虑整个系统很重要。为了降低成本,也许会弱化保护方案的性能,但其它器部件必须做得更“剽悍”以弥补不那么强悍的保护措施。在这种情况下,提高下游零部件可靠性所需的成本可能会超过采用一个不太牢靠的保护方案所节约的成本。好的设计是对上述考量恰到好处的权衡与取舍。

VDSL电路保护考量

VDSL(甚高速数字用户线路)技术使以52Mb/s的速率传送信息变得更容易。标准VDSL配署使用高达12MHz的频谱,而VDSL2的频谱可高达30MHz。

VDSL的性能取决于运营商与最终用户设备间的距离,以及现有铜基础设施状况。取决于回路状况,VDSL能支持可变位速率和高带宽服务,如在电话铜双绞线上传送一个高清电视节目频道。

因为VDSL设备连接到公共交换电话网(PSTN)的铜线基础设施,所以这些VDSL设备可能会遭受因交流电源交叠、电源感应和雷电浪涌导致的过电流和过电压的危害。

可恢复PPTC(聚合物正温度系数)过电流保护器件可与过电压器件(如:气体放电管(GDTs)和晶闸管浪涌抑制器件) 协同使用以帮助减少设备故障、降低保养费用。

降低插入和回波损耗

因为信号频谱从10MHz提高至30MHz,所以VDSL系统设计师面临一系列新挑战。其中最重要的问题是减少插入和回波损耗以及在高速应用中对传输距离和速率的影响。

在VDSL频谱内的高频段部分,会关注过电压保护器件的容抗,因为这些用于保护系统的器件可能会增加系统的插入损耗。泰科电子进行的测试表明,低容抗晶闸管和GDT(气体放电管)适用于包括VDSL应用在内的高数据速率电路。

为什么VDSL设备要求采用PPTC和GDT组合保护方案?_图1:测试数据表明各种过电压保护配置的容抗效应_1
图1:测试数据表明各种过电压保护配置的容抗效应

图1说明了容抗对几个过电压保护配置的插入损耗的影响。它显示,低容抗(1pF)GDT的插入损耗最低,而标准50A晶闸管(50V直流偏压/15pF)和100A 微容抗TVB器件(50V直流偏压/20pF)的插入损耗稍大。

本测试图所示的插入模块包括一个230V、3极GDT或两个270V串联SiBar晶闸管,它们与两段0.3m长的Cat 5e双绞线连接。

采用安捷伦8753ES矢量网络分析仪与两个North Hills的0301BB 50:100欧姆宽带变压器对插入损耗实施了测量。

变压器用于测量这些模块在100欧姆阻抗条件下的插入损耗,该阻抗值等于贯通VDSL频谱的线阻抗。在1MHz、不带偏置的条件下,采用HP4195低频阻抗分析仪对容抗进行测量。

实现低容抗VDSL解决方案

图2电路图显示的VDSL方案能有效降低容抗、减少流经的能量并优化电路保护方案。如图所示,GDT1提供初级保护(在350V到1000V)。GDT2和GDT3器件与SiBar晶闸管串联。在这种情况下,晶闸管有助于降低GDT的击穿电压、降低发生浪涌时通过的能量。PolySwitch?自恢复保险丝(PPTC)对初/次级保护提供了协同支持。

为什么VDSL设备要求采用PPTC和GDT组合保护方案?_图2:协同的电路保护机制有助于减少通过的能量_2
图2:协同的电路保护机制有助于减少通过的能量

图3、4和5显示了这种保护方法的测试结果并表明GDT和SiBar的组合在振铃电压下不会击穿、且不会钳限振铃电压。在图3所示的示波器屏幕上,输入电压变化速率为100V/s。其得到的直流击穿电压是287V,高于200V的振铃电压。

为什么VDSL设备要求采用PPTC和GDT组合保护方案?_图3:在100V/s的串联条件下,GDT和SiBar晶闸管的测试结果_3
图3:在100V/s的串联条件下,GDT和SiBar晶闸管的测试结果

图4显示的是在150Vrms交流电压输入条件下进行测试得到的数据。结果表明:没发生钳限;这说明在振铃电压下,GDT和SiBar组合不会击穿、也不会对振铃电压进行钳限。在这里,SiBar器件决定着静态击穿条件。

为什么VDSL设备要求采用PPTC和GDT组合保护方案?_图4:150Vrms条件下的GDT和SiBar晶闸管的测试结果_4
图4:150Vrms条件下的GDT和SiBar晶闸管的测试结果

在图5中,在4KV电气水平,根据ITU K.20 10/700μS进行了相同测试。示波器观测表明:GDT和SiBar组合的击穿电压是392V。图中,分别对GDT(330V)和SiBar(250V)的击穿电压进行了标注。在这里,动态击穿电压取决于GDT。

为什么VDSL设备要求采用PPTC和GDT组合保护方案?_图5:在4KV电气水平,GDT和SiBar晶闸管的测试结果_5
图5:在4KV电气水平,GDT和SiBar晶闸管的测试结果

xDSL分离器保护方案

当用同一对铜绞线实现ADSL或VDSL两种服务时,分配器用来对典型POTS服务提供帮助。POTS分离器使用低通滤波器将频谱低端的电话语音频率与频谱高端的xDSL信号频率区分开来,使传统的语音服务得以实现。

客户端和中心局(CO)都需要分离器。在客户端不使用POTS分离器的xDSL通常被称为“没分离器的xDSL。”但实际上并不存在没分离器的xDSL,在这种情况,分离器功能是由供应商(一般是中心局)提供的。是否需要POTS分离器,取决于所提供的xDSL服务类型。

图6和7说明了两种常见的分离器应用拓扑结构。图6,在一个接地系统中,SiBar浪涌保护器件提供了更低的容抗和更快的触发电压响应。

为什么VDSL设备要求采用PPTC和GDT组合保护方案?_图6:晶闸管有助于提供低容抗浪涌保护_6
图6:晶闸管有助于提供低容抗浪涌保护

为什么VDSL设备要求采用PPTC和GDT组合保护方案?_图7:GDT有助于提供可靠的浪涌保护_7
图7:GDT有助于提供可靠的浪涌保护

在图7中,在GDT前安放了两个PolySwitch过流保护器件。它们有助于限制通过GDT的能量,防止它们进入红炽(glow)模式。若将电流限制在低于从红炽态到放弧态迁变所需值(基于设计,通常为200mA到1.5A),GDT会有相当的功耗。

设计中采用熔丝——在分离器应用中,额定电流通常是1.25A——可能无法对潜行电流(sneaker current——100mA到1A范围)提供足够的保护。可恢复PPTC器件有助于对这种高电压、低电流情况提供保护。当在电路中安装PPTC器件时,它有助于限制会降低GDT性能的潜行电流。

本文小结

GDT通常用于帮助保护敏感电信设备免受因可能由雷击以及设备开关操作引致的瞬态浪涌电压造成的损伤。GDT被放置在敏感设备的前面且同时也与被保护设备并联使用,它有着高阻抗器件的功用、在正常工作下不会对信号有影响。由于其容抗低,GDT比许多其它过电压保护技术的插入损耗低。

由于其快速响应及精准的击穿电压特性,GDT适用于MDF(主配线架)模块、高数据速率电信应用(如VDSL和xDSL)及对电力线路进行浪涌保护等应用。当与PPTC器件和晶闸管组成协同保护方案时,他们可帮助设备制造商满足最严格的监管标准。

与任何保障措施一样,保护方案的有效性取决于各应用自有的布局、板类型、所用的具体器件及独特的设计考虑。大多数电路保护器件制造商将与OEM客户携手以帮助确定和实施最佳的方法。

作者简介

Matthew Williams是泰科电子Raychem电路保护产品的全球应用工程经理,负责对公司内部和OEM客户提供支持。

在数字、模拟和射频通信领域,Matthew有超过23年的应用工程和半导体设计经验。他拥有美国菲尼克斯/凤凰城科技学院的电气工程和电子通信两个学士学位。


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  • VDSL英文全称Very High Bit Rate DSL,中文意思极高位速率DSL。VDSL是一种非对称DSL,用作光纤结点到附近用户的最后引线。VDSL允许用户端利用现有铜线获得高带宽服务而不必采用光纤。VDSL和ADSL一样,也和电话共用同一条线。
    简单地说,VDSL就是ADSL的快速版本。使用VDSL,短距离内的最大下传速率可达55Mbps,上传速率可达2.3Mbps(将来可达19.2Mbps,甚至更高)。上传和下传数据信道都可在现有的POTS或ISDN服务上被频分,使VDSL成为高速、低价网络的佳选。将来的升级可能需要转向回馈抑制(Echo Cancellation)或其它技术以管理线路。像ADSL一样,VDSL将主要用于实时视频传输和高速数据访问。

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