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优化ADSL调制解调器的输入/输出保护

上网日期: 2003年05月18日 ?? 作者: P. Rabier, S. Serrier ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:ADSL? modem? Trisil power crossing? crowbar?

ADSL设备经常会受到雷电、电源及ESD放电的破坏,因此必须对其设备进行有效的保护。不同国家和地区,以及局端和用户端的设备保护有所不同。本文介绍了一些最新推出的保护器件,并说明了如何用这些器件来优化ADSL调制解调器保护方案,对服务提供商和用户的各I/O口进行保护。图1: ADSL基本工作原理。

非对称数字用户回路(ADSL)技术采用了先进的调制技术,它不间断连接地同时提供数据业务和话音业务通道,在不影响常规通话的同时以8兆比特/秒的速度传送数据,从而避免了用户每次上网都必须拨号的麻烦。由于ADSL无需进行电路切换,它不受服务提供商信道阻塞的影响,用户可享受诸如实时视频会议、网站托管、视频流传输、远程教学、远程就诊及视频点播等服务。

ADSL技术采用的是普通的电话线,其设备不可避免地会受到外界的电干扰,如雷电过载、ESD放电以及电源串扰(power crossing)等,因此必须针对可能造成破坏的过电压对设备采取有效的保护措施。本文将介绍一些最新推出的ADSL调制解调器保护方案。

ADSL调制解调器的电路结构

从硬件角度来看,ADSL可以视为一种运行于用户线路上的附加数字业务,它实现了对现有电信网络的复用。在ADSL中,我们必须用一个分离器将数字宽带信号从模拟话音通道中分离出来,然后才能让信号进入调制解调器。

ADSL调制解调器分为局端ADSL终端单元(ATU-C)和用户住宅端ADSL终端单元(ATU-R),用于处理服务提供商和终端用户接口间的上、下行ADSL信号。在用户端,ADSL调制解调器通常是一台PC机(见图1)。

如图2所示,ADSL调制解调器中包含4个主要的功能块。


1)线路接口:它通常是一个基于线路变压器的混合电路。


2)内部电路:包括ASIC芯片组和存储器。图2: ADSL调制解调器的主要功能块。


3)数据线接口。


4)电源部分。

ADSL设备常规保护要求

在通信系统中,雷电现象或交流电网的干扰都可能导致电过载 (包括过流和过压),损坏昂贵的网络设备。

为了避免出现这些故障,一些主要的规章制定机构(如ITU-T,Core和FCC)都已在专用的标准或建议中定义了各种测试方法,所有电信设备都必须通过这些测试才获得质量达标。这些标准和建议在不同的国家和安装地点会有所不同(见表1),无论是安装在局端(CO)还是用户端(CPE)。

表1的标准适用于设备本身,而保护器件的作用就是让设备满足标准的要求。标准中定义了一个并联的保护器件来抵抗雷电造成的过压。 这一保护器件通常具备和Trisil 器件类似的“电过载保护(crowbar)”特性,在正常工作模式下处于空闲状态,只在线路中出现过载现象时启动工作。

一些标准中还针对交流电源故障(也称为电源串扰)做出了规定。这种情况下,通常同时采用并联保护(并联一个过载保护元件)和串联保护(在出现过流现象时断开电路)来保护设备。除了电信业常用的这些保护要求外,有些标准中还针对ESD放电进行保护,使设备在遇到ESD故障时不会损坏。表1: 不同类型设备的主要测试要求。

线路接口保护

如图3所示,这种保护通常在分离器前采用,以便保护整个系统。这时必须根据不同的应用来定义参数,然后选择恰当的保护元件,它有如下标准:

1)保护元件至少能承受线路正常工作模式(振铃模式)时的最大电压。

2)根据相应的雷电保护标准定义保护元件所能承受的浪涌电流。

3)由于数据率很高,所以要尽量减少电容值以达到较低的BER(误码率)。

在局端设备和用户住宅端设备,这些参数会有所不同。

1. 局端设备的保护要求

由于双绞线是从户外接入室内的,因而保护设施必须符合GR-108? Core 500A 2/10μs标准(美国)或ITU-T K20 /K21标准(其他国家)。

SMP100LC图3: 分离器及其保护器件电路图。 Trisil系列元件满足雷电保护标准,同时寄生电容很小,能够避免ADSL信号在正常工作条件下出现失真。实验表明,如果在TIP和接地点以及RING 和接地点之间连接两个SMP100LC-270,那么当出现270V的过压时,设备能够得到有效保护。

由于半导体的过载保护元件上电较快,变压器的次级可能会出现尖峰信号,采用一个低功耗的Transil元件(如SMAJ15CA-TR)就能很好的抑制这种现象(见图3)。

2. CPE的保护要求

任何电信设备都必须满足它所处国家的标准要求,CPE的标准和CO的标准是不同的。表3给出了全球各国的CPE主要标准。

CPE端和CO端的分离器电路结构类似,但由于要求不太严格,因此可以采用档次较低的保护器件。

SMP30 或SMP50产品系列符合全球CPE电信标准,并且其寄生电容也很小,符合ADSL的要求。就象在局端的作用一样,如果将SMAJ15CA-TR置于变压器后作为保护器件,它也非常有效(见图3)。串联的PTC或电阻通常用来承受电源干扰测试。

数据线接口

数据线主要采用了三个接口,分别是USB端口、以太网接口和PCI接口。表2: 各国局端设备主要标准要求。

USB端口和以太网端口用来连接外部调制解调器。这些接口可能会面临外界环境带来的干扰,因此它们必须满足一些专门的保护条件。而PCI接口通常采用内置调制解调器,与终端用户设备的连接完全在内部实现,因此这种接口无需承受外部环境带来的电过载。

1. USB接口

通用串行总线(USB)是最常用的家用数据线。USB1.1技术有两种数据传输速率:低速(1.5Mb/s)或者全速(12Mb/s)。这种高频要求我们定义新的设计规则,以满足FCC或CISPR等规定中对EMI和RFI(电磁兼容和射频干扰)的要求。此外USB设备还应满足IEC61000-4-2第4级 (8kV 接触电压, 15kV 空气放电)或MIL STD883E、3015-7 方法(25kV)等ESD标准。

USBUF01W6专门用于上行端口,同时满足以上各项标准。该接口通过将1.5千欧的电阻连到D+或D-来选择传输速度。图4为USBUF01W6的应用情况。图4: 用USBUF01W6器件来实现EMI滤波及ESD保护。

USBUF01W6不但能实现ESD保护,还能用作EMI/RFI噪音抑制器,并能提供上拉或下拉电阻。

2. 以太网接口

以太网是一种局域网技术,该技术能够在计算机之间以10Mbps或100Mbps的速度传输信息。10Mbps 的以太网(或称为10BASE-T系统)通过两对线缆连接,其中一对用于接收数据信号,另一对用于发送。每对线缆均通过一个隔离系统的线路变压器连接到以太网收发器IC。

以太网与标准的电信线路类似,都需要线路保护。因此,在以太网的保护中采用了与电信线路中相同的雷电保护标准,而且必须在线路转换器前并联一个具有过载保护特性的元件。这样做有如下目的:

1)在数据率较高时避免可能出现的失真,正确传输数据


2)在系统正常工作时使保护器件处于空闲状态。以太网采用较低的信号电压,因此需要低压保护元件


3) 抵抗雷电电流并使系统符合相关标准表4: 以太网设备主要保护标准。

以太网端口主要用于内部通信,因而必须符合表4中给出的标准。

有两种方法可实现保护功能,一种是采用一个三极过载保护器件(如TPN3021 Crowbar保护器件),另一种是采用两个SMP100LC类型的低击穿电压器件。TPN3021中有三个Trisil器件。当线路中出现浪涌电流时,Trisil导通用作短路放电通路,当过压情况消失时,它又重新关闭。在线路变压器后面通常还有一个小的单封装二极管用作次级保护。

DALC208SC6二极管阵列可同时保护四条线路,它具备满幅钳位特性和低电容特性。该元件采用紧凑型SOT23-6L封装,内含8个二极管,可以将4条线路连接到VCC和GND。由于每个二极管的等效电容只有7pF,它可以有效地防止出现严重信号失真。与单纯地采用离散二极管相较,采用DALC208SC6不但能获得很高的性价比,而且也方便设计工程师布线。

可供选择的保护元件

国内外知名厂商有Littelfuse、Copper/Bussmann、Schunter、AEM、GCL、BelFuse、Wickman-Werke、SanoIndustrial、Raychem、上海维安热电材料公司、上海无线电元件十五厂、功得利、好利来、精科、兴勤、雅宝等公司。

目前可供选择的保护器件主要有以下类别:图5: 10Base-T接口及其保护元件。

1. 玻璃/陶瓷管保险丝。它仍然是应用最广、产销量最大的电路保护元件。使用方便,价格低廉,而且仍在不断发展,但它不适用于高密度组装电路。

2. 有机高分子聚合物PTC。由于其可恢复性,颇受用户欢迎。虽然它尚有一些缺点,小尺寸SMD封装规格较少,但制造厂商在加速开发,性能日新月异,发展很快。目前主要应用于二次电池的保护、二次电池充电器、键盘、鼠标器、主机板、显示器、USB接口保护、AC/DC电源适配器、豪华汽车电子设备、有线通信程控交换机等。

3. 陶瓷PTC/NTC。由于近来采用陶瓷叠层共烧技术,将原来使用多年的引线型陶瓷PTC/NTC元件叠层化、片式化,克服了许多缺点,使其性能大大改进,从而拓宽了应用领域。 其主要应用领域为:移动通信中大量使用的温补石英晶荡器、LCD温度补偿、有线通信程控交换机(每线2~4只)、IC和半导体器件过热保护、DC/DC转换器和HIC的过热保护、二次电池电源保护、二次电池充电器、传感器温补、微电机温补、打印头温补、软盘伺服控制器、播放机驱动器等。表5: ADSL设备保护方案一览。(点击放大图)

4. 金属薄膜型熔断器。这是一类新型电路保护元件。它具有精度高、功率密度大、体积小、可表面贴装、高可靠等优点。但它是不可恢复一次性使用。有时需要在PCB上配备支承座。这类熔断器的优势领域应该是那些高密度组装、高性能、高可靠的电子线路部分和电子产品。

本文小结

本文介绍了一些保护器件,并说明了如何采用这些器件来构造优化的ADSL调制解调器保护方案。该方案涵盖了在服务提供商和用户端所有系统I/O端口的保护,这些保护措施均符合世界范围内电信应用和计算机应用方面的标准要求。

作者:P. Rabier, S. Serrier


意法半导体公司






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