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最佳化ADSL數據機的輸入?輸出保護

上網時間: 2003年05月10日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:ADSL  modem,Trisil power crossing  crowbar  電過載保護器  lightning standard 

ADSL設備經常會受到雷電、電源及ESD放電的破壞,因此必須對其設備進行有效的保護。不同國家和地區,以及局端和用戶端的設備保護有所不同。本文介紹了一些最新推出的保護元件,並說明了如何用這些元件來最佳化ADSL數據機保護方案,對服務供應商和用戶的各I/O口進行保護。

非對稱數位用戶迴路(ADSL)技術採用了先進的調變技術,它不間斷連接地同時提供數據業務和語音業務通道,在不影響常規通話的同時以8百萬位元╱秒的速度傳送數據,因而避免了用戶每次上網都必須撥號的麻煩。由於ADSL無需進行電路切換,它不受服務供應商訊息通道阻塞的影響,用戶可享受諸如即時視訊會議、網站托管、視訊流傳輸、遠端教學、遠端就診及視訊點播等服務。

ADSL技術採用的是普通的電話線,其設備不可避免地會受到外界的電干擾,如雷電過載、ESD放電以及電源串擾(power crossing)等,因此必須針對可能造成破壞的過電壓對設備採取有效的保護措施。本文將介紹一些最新推出的ADSL數據機保護方案。

ADSL數據機的電路結構

從硬體角度來看,ADSL可以視為一種執行於用戶線路上的附加數位業務,它實現了對現有電信網路的再使用。在ADSL中,我們必須用一個分離器將數位寬頻訊號從類比語音通道中分離出來,然後才能讓訊號進入數據機。

ADSL數據機分為局端ADSL終端單元(ATU-C)和用戶住宅端ADSL終端單元(ATU-R),用於處理服務供應商和終端用戶介面間的上、下行ADSL訊號。在用戶端,ADSL數據機通常是一台PC機(見圖1)。

如圖2所示,ADSL數據機中包含4個主要的功能塊。


1)線路介面:它通常是一個基於線路變壓器的混合電路。


2)內部電路:包括ASIC晶片組和記憶體。


3)數據線介面。


4)電源部份。

ADSL設備常規保護要求

在通訊系統中,雷電現象或交流電網的干擾都可能導致電過載(包括過流和過壓),損壞昂貴的網路設備。

為了避免出現這些故障,一些主要的規章制定機構(如ITU-T,Core和FCC)都已在專用的標準或建議中定義了各種測試方法,所有電信設備都必須經過這些測試才獲得品質達標。這些標準和建議在不同的國家和安裝地點會有所不同(見表1),無論是安裝在局端(CO)還是用戶端(CPE)。

表1的標準適用於設備本身,而保護元件的作用就是讓設備滿足標準的要求。標準中定義了一個並聯的保護元件來抵抗雷電造成的過壓。這一保護元件通常具備和Trisil元件類似的‘電過載保護(crowbar)’特性,在正常工作模式下處於空閑狀態,只在線路中出現過載現象時啟動工作。

一些標準中還針對交流電源故障(也稱為電源串擾)做出了規定。這種情況下,通常同時採用並聯保護(並聯一個過載保護元件)和串聯保護(在出現過流現象時斷開電路)來保護設備。除了電信業常用的這些保護要求外,有些標準中還針對ESD放電進行保護,使設備在遇到ESD故障時不會損壞。

線路介面保護

如圖3所示,這種保護通常在分離器前採用,以便保護整個系統。這時必須根據不同的應用來定義參數,然後選擇恰當的保護元件,它有如下標準:

1)保護元件至少能承受線路正常工作模式(振鈴模式)時的最大電壓。

2)根據相應的雷電保護標準定義保護元件所能承受的突波電流。

3)由於數據率很高,所以要盡量減少電容器值以達到較低的BER(誤碼率)。

在局端設備和用戶住宅端設備,這些參數會有所不同。

1.局端設備的保護要求

由於雙絞線是從戶外接取室內的,因而保護設備必須符合GR-1089 Core 500A 2/10μs標準(美國)或ITU-T K20/K21標準(其他國家)。

SMP100LC Trisil系列元件滿足雷電保護標準,同時寄生電容器很小,能夠避免ADSL訊號在正常工作條件下出現失真。實驗顯示,如果在TIP和接地點以及RING和接地點之間連接兩個SMP100LC-270,那麼當出現270V的過壓時,設備能夠得到有效保護。

由於半導體的過載保護元件上電較快,變壓器的次級可能會出現尖峰訊號,採用一個低功耗的Transil元件(如SMAJ15CA-TR)就能很好的抑制這種現象(見圖3)。表2: 各國局端設備主要標準要求。

2. CPE的保護要求

任何電信設備都必須滿足它所處國家的標準要求,CPE的標準和CO的標準是不同的。表3給出了全球各國的CPE主要標準。

CPE端和CO端的分離器電路結構類似,但由於要求不太嚴格,因此可以採用檔次較低的保護元件。

SMP30或SMP50系列產品符合全球CPE電信標準,並且其寄生電容器也很小,符合ADSL的要求。就象在局端的作用一樣,如果將SMAJ15CA-TR置於變壓器後作為保護元件,它也非常有效(見圖3)。串聯的PTC或電阻通常用來承受電源干擾測試。

數據線介面

數據線主要採用了三個介面,分別是USB埠、乙太網路介面和PCI介面。

USB埠和乙太網路埠用來連接外部數據機。這些介面可能會面臨外界環境帶來的干擾,因此它們必須滿足一些專門的保護條件。而PCI介面通常採用內建數據機,與終端用戶設備的連接完全在內部實現,因此這種介面無需承受外部環境帶來的電過載。

1. USB介面

通用串列匯流排(USB)是最常用的家用數據線。USB1.1技術有兩種數據傳輸速率:低速(1.5Mb/s)或者全速(12Mb/s)。這種高頻要求我們定義新的設計規則,以滿足FCC或CISPR等規定中對EMI和RFI(電磁相容和射頻干擾)的要求。此外USB設備還應滿足IEC61000-4-2第4級(8kV接觸電壓,15kV空氣放電)或MIL STD883E、3015-7方法(25kV)等ESD標準。

USBUF01W6專門用於上行埠,同時滿足以上各項標準。該介面透過將1.5千歐姆的電阻連到D+或D-來選擇傳輸速度。圖4為USBUF01W6的應用情況。

USBUF01W6不但能實現ESD保護,還能作為EMI/RFI噪音抑制器,並能提供上拉或下拉電阻。

2. 乙太網路介面

乙太網路是一種區域網技術,該技術能夠在電腦之間以10Mbps或100Mbps的速度傳輸資訊。10Mbps的乙太網路(或稱為10BASE-T系統)透過兩對纜線連接,其中一對用於接收數據訊號,另一對用於發送。每對纜線均透過一個隔離系統的線路變壓器連接到乙太網路收發器IC。圖3: 分離器及其保護元件電路圖。

乙太網路與標準的電信線路類似,都需要線路保護。因此,在乙太網路的保護中採用了與電信線路中相同的雷電保護標準,而且必須在線路轉換器前並聯一個具有過載保護特性的元件。這樣做有如下目的:

1)在數據率較高時避免可能出現的失真,正確傳輸數據


2)在系統正常工作時使保護元件處於空閑狀態。乙太網路採用較低的訊號電壓,因此需要低壓保護元件


3) 抵抗雷電電流並使系統符合相關標準

乙太網路埠主要用於內部通訊,因而必須符合表4中給出的標準。

有兩種方法可實現保護功能,一種是採用一個三極過載保護元件(如TPN3021 Crowbar保護元件),另一種是採用兩個SMP100LC類型的低擊穿電壓元件。TPN3021中有三個Trisil元件。當線路中出現突波電流時,Trisil導通作為短路放電通路,當過壓情況消失時,它又重新關閉。在線路變壓器後面通常還有一個小的單封裝二極體作為次級保護。

DALC208SC6二極體陣列可同時保護四條線路,它具備滿幅箝位特性和低電容器特性。該元件採用緊密型SOT23-6L封裝,內含8個二極體,可以將4條線路連接到VCC和GND。由於每個二極體的等效電容器只有7pF,它可以有效地防止出現嚴重訊號失真。與單純地採用離散二極體相較,採用DALC208SC6不但能獲得很高的性價比,而且也方便設計工程師佈線。

本文小結

本文介紹了一些保護元件,並說明了如何採用這些元件來構造最佳化的ADSL數據機保護方案。該方案涵蓋了在服務供應商和用戶端所有系統I/O埠的保護,這些保護措施均符合世界範圍內電信應用和電腦應用方面的標準要求。

作者:P. Rabier, S. Serrier


意法半導體公司




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