保护高速网络云服务

简介

越来越多的业务和个人信息都存储在“云”中，当今时代，确保快速、可靠地访问这些信息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，他们希望同步、无缝地向用户传递语音、数据、视频和互联网连接。

光纤网络已经逐步为各地的社区带来高速连接，但对于电信供应商来说，他们需要使用其现有的铜线。如此一来，G.FAST技术应运而生，由于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。由于在经济上扩大宽带覆盖的巨大潜力，一些行业专家预测G.FAST芯片全球市场将增至29亿美元。

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程终端(又称光纤到节点，或FTTN)，然后利用已到位的铜线基础设施在距离客户驻地“最后一英里”的区域设立分支。G.FAST技术采用宽频带宽(高达106MHz，具有高达212 MHz的电位)向用户提供话音/数据/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数据。没有必要为每个新用户“上门服务”，用户可以在几分钟内自行安装新的G.FAST调制解调器，并将其插入到自己的系统中。

G.fast技术与FTTdp(光纤到配电点)、多端口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带宽的优势(几乎和以前的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)和矢量化来消除串扰。 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)电缆上的目标数据速率为1 Gbps;对该技术的持续改进可提供更快的数据速度，拓宽其应用前景。G.fast芯片组技术的先驱Sckipio进行的研究也表明，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

G.fast电路保护所面临的挑战

对于G.fast等高带宽线路，放置在线路上的任何电路保护元件的电容都可能会降低信号强度，从而降低其速率和覆盖范围。但是节点中的G.fast调制解调器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)二极管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)的通信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供应商可能会倾向于在美国市场采用符合GR-1089-Core的安全设计。

GDT、TVS二极管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。它们通常用于一次保护，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，由此可用于高速数据链路。但是，对于G.fast应用来说它们也有一些缺点，包括初始电压阈值过高(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阈值下激活以保护电路)，安装于黑暗环境中时GDT性能特征可能会发生变化，占用空间相对较大、电源故障期间会产生热积累。

TVS二极管阵列是可提供低电压阈值导通值的箝位型元件。然而，由于其箝位特性，它们会耗散更高的功率水平，

因此必须加大尺寸，以实现类似于晶闸管箝位元件的浪涌额定值。这种尺寸较大的硅封装可产生可能与高带宽信号

不兼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

电压箝位在器件的开关电压(VS)额定值内。然后，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。而流经它的电流小于其载流(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

晶闸管优点包括响应时间快速、电气特性稳定、长期可靠性和电容较低。而且由于它们是开关型保护器，不会因电

压造成损坏。

在美国，电信公司在网络侧安装设备的电路保护(例如，安装光纤网络终端单元或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期端口类型3浪涌。[2]由于这些回路很短，端口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。端口类型3是这类设备中的最严重情况。欲了解有关端口类型的更多信息，请参见表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，只要它正确位于变压器和DSL驱动器之间的电路中即可。变压器衰减浪涌。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。

图3：G.fast信号的幅度远远低于现有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乎不可察觉。如果元件处于第三级位置(如上图所示)，速率和可达性测试显示可接受损耗小于0.2 dB。

G.fast设计和全球标准

在设计G.fast设备时，大多数公司都希望所设计的电路符合全球标准。对于欧洲、亚洲、中东和一些南美国家等国际地区，设备必须符合表1所示建议中列出的基本电涌耐受能力，甚至更高。

表1：与G.fast设备设计相关的全球电涌保护标准

表2：GR-1089包含一级和二级建筑物间和建筑物内的雷电抗扰度试验条件。具体的电涌条件取决于端口类型。欲了解有关这些标准要求的更多信息，请参阅Littelfuse免费附送的《以太网保护设计指南》。

对于G.fast设计人员而言最新一代保护型晶闸管的优点

开发G.fast硬件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调制解调器和位于光纤网络终端(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信号被转换为模拟信号(参见图3中的线驱动器参考设计)。欲了解有关此参考设计的更多信息，请参阅“G.fast线驱动器三次过压保护应用简介”。

还可用于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信号衰减。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信号(电容变化对DSL信号的调解)。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)限值兼容，它还可用于与VDSL2向后兼容的G.fast芯片组。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兼容。由于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信号衰减更低。当PCB设计师对电路板进行布局时，该组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调制解调器提供了良好保护。箝位型组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，调制解调器继续运行。15至16安培的浪涌额定值通常无法提供充分保护，并且对于经受更严重暴露的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二极管阵列的优缺点相比，最新一代保护型晶闸管与G.fast技术相结合，可以提供最先进的屏蔽电路保护，对电信公司及其商业和住宅客户来说，均可更快速、更轻松、更方便地访问云服务。