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保護高速網路雲服務
 

【作者: Phillip Havens】   2018年07月04日 星期三

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越來越多的業務和個人資訊都儲存在「雲」中,當今時代,確保快速、可靠地瀏覽這些資訊比以往任何時候都更為重要。電話服務供應商有強大的經濟動力,可提供與那些只通過有線公司開展的業務競爭的服務包。換句話說,他們希望同步、無縫地向使用者傳遞語音、資料、視頻和互聯網連接。


光纖網路已經逐步為各地的社區帶來高速連接,但對於電信供應商來說,他們需要使用其現有的銅線。如此一來,G.FAST技術應運而生,由於電信供應商分階段進行光纖部署,該技術可以彌補這方面的不足,使客戶獲得類似光纖的接入速度。由於在經濟上擴大寬頻覆蓋的巨大潛力,一些行業專家預測G.FAST晶片全球市場將增至29億美元。[1]



圖1 : FTTdp接入網。
圖1 : FTTdp接入網。

通過如下方式,G.FAST使高效高速連接成為可能:電信公司將光纖安裝到遠端終端機(又稱光纖到節點,或FTTN),然後利用已到位的銅線基礎設施在距離客戶駐地「最後一英里」的區域設立分支。G.FAST技術採用寬頻帶寬(高達106 MHz,具有高達212 MHz的電位)向使用者提供話音/資料/視頻/互聯網。多點FTTN可使電信公司以更經濟高效的方式向客戶提供高速資料,沒有必要為每個新使用者「上門服務」,使用者可以在幾分鐘內自行安裝新的G.FAST數據機,並將其插入到自己的系統中。


G.fast技術與FTTdp(光纖到配電點)、多埠FTTdp、FTTC(光纖到路邊)和FTTH(光纖到戶)互補,提供了不限制現有光纖頻寬的優勢(幾乎和以前的XDSL技術一樣)。例如,儘管VDSL2最高速度為100 Mbps,但達到該速度需要黏合(即使用兩根雙絞線)和向量化來消除串擾。


同樣,ADSL2+的最高速度為10 Mbps,ADSL2的最高速度為5 Mbps,ADSL的速度限值為1 Mbps。相比之下,G.fast在100米單根雙絞線(24 AWG / 0.5 mm)電纜上的目標資料速率為1 Gbps;對該技術的持續改進可提供更快的資料速度,拓寬其應用前景。G.fast晶片組技術的先驅Sckipio進行的研究也顯示,在速度高達數百兆比特/秒的情況下,距離可達500米。



圖2 : FTTdp G.fast架構。
圖2 : FTTdp G.fast架構。

G.fast電路保護所面臨的挑戰

對於G.fast等高頻寬線路,放置線上路上的任何電路保護元件的電容都可能會降低訊號強度,從而降低其速率和覆蓋範圍。但是節點中的G.fast數據機和電路必須受到保護,防止雷電引起的浪湧造成損壞。儘管客戶駐地設備(CPE)設計人員可採取三種基本的電路保護方案:氣體放電管(GDT)、瞬態電壓抑制(TVS)二極體陣列和保護型晶閘管,但他們所選擇的任何設備都必須使其設計最小程度地符合浪湧TIA-968B(以前稱為FCC第68部分)的要求。


在美國,任何連接到公共交換電話網絡(PSTN)的通訊設備均需具備此性能。其他國家也有類似要求,如表1所示。一些G.fast供應商可能會傾向於在美國市場採用符合GR-1089-Core的安全設計。


GDT、TVS二極體陣列和保護型晶閘管在G.fast電路保護方面各有優缺點:


‧ GDT的優點包括浪湧電流額定值高達20 kA,電容額定值低至1 pF,0 V偏壓。它們通常用於一次保護,這是因為它們的浪湧額定值很高,但是它們對高頻元件的干擾度較低,由此可用於高速資料連結。但是,對於G.fast應用來說,它們也有一些缺點,包括初始電壓閾值過高(這意味著在發生超過系統正常工作電壓的電湧時,它們可能無法在足夠低的閾值下啟動以保護電路),安裝於黑暗環境中時,GDT性能特徵可能會發生變化,佔用空間相對較大、電源故障期間會產生熱積累。


‧ TVS二極體陣列是可提供低電壓閾值導通值的箝位型元件。然而,由於其箝位特性,它們會耗散更高的功率水準,因此必須加大尺寸,以實現類似於晶閘管箝位元件的浪湧額定值。這種尺寸較大的矽封裝可產生可能與高頻寬訊號不相容的較高斷態電容值。


‧ 保護型晶閘管是一種PNPN元件,可以被認為是沒有柵極的晶閘管。當它超過峰值斷態電壓(VDRM)時,它會將瞬態電壓箝位元在器件的開關電壓(VS)額定值內。然後,一旦流經它的電流超過其開關電流,它就會快速切斷(撬棍)並模擬短路狀況。而流經它的電流小於其載流(IH)時,它將復位並恢復到其高斷態阻抗。該應用的下一代保護型晶閘管優點,包括回應時間快速、電氣特性穩定、長期可靠性和電容較低,而且由於它們是開關型保護器,不會因電壓造成損壞。


在美國,電信公司在網路側安裝設備的電路保護(例如安裝光纖網路終端單元或ONT的附近機櫃中)必須符合NEBS(網路設備建設系統)設計指南,這反過來可能需要符合GR-1089第6期埠類型3浪湧。[2]由於這些回路很短,埠類型可被指定為類型3a/5a。每個供應商應界定其自身的防雷電要求。埠類型3是這類設備中的最嚴重情況。有關埠類型的更多資訊,請參見表2。


最新一代保護型晶閘管旨在保護電信設備在功能上符合GR-1089的高浪湧電平要求,只要它正確位於變壓器和DSL驅動器之間的電路中即可。變壓器減弱突波。如果元件與接入點(通常是RJ11連接器)之間存在足夠的阻抗(例如在這些類型應用中實現的高通濾波器),則該元件也可以放置在變壓器的線路側。


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G.fast線驅動程式


圖3 : G.fast訊號的幅度遠遠低於現有xDSL服務的幅度,因此保護型晶閘管兩端的電壓變化也非常小。由此導致的電容變化幾乎不可察覺。如果元件處於第三級位置,速率和可達性測試顯示可接受損耗小於0.2 dB。
圖3 : G.fast訊號的幅度遠遠低於現有xDSL服務的幅度,因此保護型晶閘管兩端的電壓變化也非常小。由此導致的電容變化幾乎不可察覺。如果元件處於第三級位置,速率和可達性測試顯示可接受損耗小於0.2 dB。

最新一代保護型晶閘管的優點

開發G.fast硬體的電路設計人員而言,最新一代的保護型晶閘管具備諸多優點:


‧ 將其正確貼裝到印刷電路板(PCB)佈局中時,它可為安裝在客戶駐地的G.fast數據機和位於光纖網路終端(ONT)設備中的G.fast驅動器提供雷電浪湧保護,此時光纖將被終止並且訊號被轉換為類比訊號(參見圖3中的線驅動器參考設計)。


‧ 還可用於保護各種電信設備對GR-1089的高浪湧電平要求,最新一代保護型晶閘管可防止訊號衰減。這種能力是初始低斷態電容(最大值僅為2.0 pF)和電容過壓波動極小所帶來的,因此可以避免干擾穩態訊號(電容變化對DSL訊號的調解)。總之,極低的電容和極低的電容變化為G.fast服務提供了最大的速率和覆蓋範圍。


‧ 借助各種截止電壓,它可與G.fast功率譜密度(PSD)限值相容,它還可用於與VDSL2向後相容的G.fast晶片組。在這些情況下,許多線驅動器將增加其輸出電壓範圍,以便在它們「回落」到VDSL2模式的情況下符合VDSL2 PSD限值。這種新設計提供的較高截止電壓與VDSL2典型的較高穩態電壓相容。


‧ 由於SOT-23-6封裝提供了流通式設計,可簡化電路板佈局設計工藝,因此PCB訊號衰減更低。當PCB設計師對電路板進行佈局時,該元件可使設計人員在設計時保持PCB走線平行,並且不需要短截連接—兩種情況均可能導致線路上的阻抗失配。


‧ 高浪湧額定值(最小30 A)為雷擊引起的浪湧突降或穿過正極線和負極線對時G.fast數據機提供良好保護。箝位元型元件看起來就像是一個可以將浪湧電流從G.fast線驅動器中分流出去的短路,從而防止線驅動器損壞。


‧ 一旦浪湧事件完畢,晶閘管自動復位,數據機繼續運行。15至16安培的浪湧額定值通常無法提供充分保護,並且對於經受更嚴重暴露的G.fast應用來說保護能力是不夠的(包括GR-1089第6期建築物間需求和ITU K20 / 21/45補充外部線路建議)。


結語

與現有的GDT和TVS二極體陣列的優缺點相比,最新一代保護型晶閘管與G.fast技術相結合,可以提供最先進的遮罩電路保護,對電信公司及其商業和住宅客戶來說,均可更快速、更輕鬆、更方便地造訪雲服務。


(Phillip Havens為Littelfuse標準和應用首席工程師)


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