可恢复式PPTC保护器件对ADSL线路性能影响的测试和分析

在连接于电话线路的设备中,主要有电话、传真机、调制解调器及其它模拟通讯器件。所有这些客户终端设备都必须满足UL1950、FCC Part 68或ITU K.21等安全规范要求。另外,中心局及网络设备还需要符合地区性安全机构的标准,如Telcordia GR-1089及ITU-T推荐标准K.20。这些标准都要求使用电压过载及电流过载保护以确保安全且可靠的运行。随着DSL技术的应用,这些电话线路上还同时传输数码信号。对于ADSL设备,与上述的上述模拟设备需要相同的安全和运行规范。PolySwitch^TM流过载器件和SiBar^TM电压过载保护器件就是根据这些标准,为电路提供保护,并利用其较保险盒具有可复式及低能量耗散的性能,提高系统的性能和可靠性。在ADSL应用设备中,部分设计者会因为PolySwitch聚正温度系数(PPTC)热敏电阻影响信息速率及连接性能,而采用非可复式技术,如保险盒,从而降低了ADSL连接的可靠性及鲁棒性。

本文第一部份会阐述一些PPTC器件和通常应用在电讯设备的保险盒的几个主要不同之处,包括激发时间、能量通量(I²t)及事故情况下的表面温度。本文后半部份将提供ADSL应用设备使用不同电阻值PolySwitch PPTC热敏电阻的试验资料,以证明这些器件对ADSL性能的影响。本文将详细阐述,当正确选择时,PolySwitch PPTC器件能有效提供与其他电路保护方案完全相同的ADSL设备性能。

技术比较

保险盒对PolySwitch PPTC器件

保险盒为一次性融断器件,应用金属化合物的融化使电路在电流过载的情况下断路。当远端通讯设备使用保险盒时,会出现难以兼顾抵御雷击脉冲,同时又能配合通讯设备的工作电流,从而提供Telcordia、ITU以及UL规范中的电源故障防护。这种保险盒有时被称之为"耐雷击"保险盒。这种"耐性雷击"是将保险盒可承受的通过电流设计成大于通讯设备的正常工作电流。例如,北美洲Telcordia GR-1089网路保护要求的常用保险盒规格为1.25 A到1.50 A,而设计用于满足相同规范要求的PPTC器件的规格为160 mA到200 mA。一般保险盒来讲通常要求其融断电流和工作电流对比大于10比1,是由于标准规范要求在电流过载和雷击事件以后,通讯设备还具有原定的耐久性和可操作性。(详细内容请参见Raychem电路保护手册或)

PolySwitch PPTC器件是一种温度反应热敏电阻,在电流过载的情况下,其阻抗呈指数关系的增长。阻抗的变化能限制电路中的故障电流,从而对通讯设备提供保护。保险盒和PolySwitch 器件的最显著区别在于PolySwitch 的可复式功能。另外,PolySwitch 器件的热质,由于能承受雷击脉冲,使跳闸电流更加接近于工作电流,因而适合用于耐雷击器件设计。由于大多数雷击保护系统是利用电压过载保护器件,而电流过载保护器件需要能够承受雷击脉冲。保险盒是一次性器件,因热质低,需要较高的电流规格才能承受一般温和的雷击。使保险盒具有"耐雷击"的技术,是将时间延迟特性和增加额定电流,让保险盒能承受一次或多次雷击。由于PolySwitch PPTC器件是"耐雷击"的,能够紧密地与系统的工作电流配合,以及是可复式的器件,由PolySwitch 器件提供的全面保护,带来更可靠的通讯设备。

电流过载保护技术之激发时间

证明应用PolySwitch PPTC器件能使通讯设备得到更好保护的方式,是比较PolySwitch PPTC器件与保险盒的激发时间。PolySwitch 器件能够紧密配合通讯设备的工作电流的同时,仍能满足UL、ITU、FCC和Telcordia的标准规范。图1将常用保险盒的激发时间(跳闸时间)与几种为通讯设备设计的PolySwitch 器件比较。发生故障时,电流过载保护器件作出反应所需的时间越长,电路中通过的能量就越多。这些能量对通讯设备中的电子元器件造成损害,并可能是潜在的火灾隐患。

图1. 普通保险盒与通讯设备的PolySwitch PPTC器件的激发时间比较

由于数值随阻抗而变化,每一部份的平均阻抗值资料给出PolySwitch 器件的激发时间值(或跳闸时间)。"典型的"通讯设备外接保险盒的激发时间值,是根据测试样本的实际纪录数值。当故障电流低于3 A时,保险盒的激发时间非常长且数值随样本的不同而变化。如本文下半部份讨论的,长激发时间将导致保险盒在温度升高的条件下工作。

电流过载保护技术的I²t数值

一个器件所容许通过的能量以I²t的数值显示。这个参数通常也用于保险盒技术中,用以显示保险盒对于瞬间事件所造成损害的抵御能力。I²t的数值越大,保险盒就越"耐久"。"耐雷击"保险盒的I²t数值通常为两位数,否则保险盒就会对诸如雷击的暂态事件起反应。如果在闪电脉冲期间保险盒产生了不该有的,结果就是会中断通讯设备的正常工作。与"耐雷击"的保险盒相比较,PolySwitch PPTC器件的I²t的数值要低得多。因此可以防止过量的能量流过。表1将几种PolySwitch器件的I²t相对值与常用的为通讯设备设计的保险盒数值比较。I²t的测量值根据示波器的读数,器件的测试条件为600 Vac,故障电流为7 A。测量的激发时间是从故障发生到保护启动的时间。I²t的数值是从RMS电流数值计算而得。

比较显示,通过保险盒的能量约为通过PolySwitch PPTC器件的能量的6到8倍。

在低电流故障情况下电流过载保护器件的表面温度

应用具有较高工作电流的电流过载保护器件的另一个后果,是当故障电流出现时,器件达到的温度。当出现超过系统工作电流的故障而电流还不足以使器件暂态激发时,器件可能会达到一个不希望达到的温度状态从而带来潜在的不安全隐患。

如图2所示,通常用于通讯设备的1.25 A保险盒的表面温度可能升至高于400°C。与之比较,测试的PolySwitch PPTC器件的表面温度从未超过150°C。

PolySwitch 器件及通讯设备外接保险盒的表面温度,是使用红外线热成像照相机拍摄测量的,测量条件为250 Vac。所施加的故障电流在2到3 A之间。

PolySwitch PPTC器件在这些电流条件下反应迅速且温度稳定。通常故障电流对器件表面所达到的温度没有影响。与之相反,在一定电流的情况下,保险盒的反应要慢得多,故障电流因此对表面温升有相当大的影响。如果在这些高温度条件下,保险盒的元件不能够迅速断开,就有可能对器件下面或附近的印刷电路板(PCB)造成损害。在对这些通讯设备常用的保险盒进行测试时,由于图2所纪录到的高温影响,观察到PCB受到相当大的损害。

ADSL背景资料

相对于保险盒而言,PolySwitch 器件能够对通讯设备提供更好的保护。而ADSL设计者会问:"这种额外的保护及可靠性会否提高我的ADSL系统的技术营运成本？"

ADSL DSLAM或CPE数据机的类比前端是围绕一个特殊设计的线路阻抗。在一定的线路长度上,产生阻抗或增益。对每一个Tip-and-Ring导体加装上PolySwitch TSM600器件引入了一定量的序列阻抗。在突发电流过载时,对上行和下行的资料传输,都潜在传输速率降低及增加的问题。

在这些试验中,上行和下行的比特速率是在一台ADSL DSLAM和一台Alcatel Home Speed Pro CPE数据机之间建立的,而在DSLAM的Tip-and-Ring上加装有PolySwitch TSM600器件。数据显示,除了在16,000英尺处有所例外,测量的比特速率与Tip-and-Ring附加器件时的测量速率有多大差别。所有的试验条件,包括控制条件,都导致最大线长度为17,500英尺的?亮时间(成功连接)。

连接于Tip-and-Ring上的PolySwitch TSM600器件所引入的额外阻抗,对线路的输入阻抗只有非常有限的影响。尽管PolySwitch 器件的阻抗导致Tip-and-Ring线路阻抗增加,PolySwitch TSM600并没有使输入阻抗有增加。

加装PolySwitch PPTC器件的ADSL系统测试过程

接通速率测试在新罕布夏大学(University of New Hampshire)的ADSL协调实验室进行。DSLAM与一台Alcatel Home Speed Pro CPE数据机合用。加装有PolySwitch TSM600器件的测试板则连接在DSLAM和Spirent DLS 400 HN Wire Line Simulator的输入端之间。在每块板的Tip-and-Ring线路上加装PolySwitch TSM600器件,如图3所示。

在0 - 18,000英尺的线路长度内以1,000英尺为一增量单位进行连接速率测定。连接速率根据施加在线路上的 - 140 dBm空白噪音进行测量。利用一台Sony/Tektronix AWG2005 Arbitrary Waveform Generator(可变波形发生器)产生测试用的空白噪音。输入阻抗、相位以及损耗后利用一台DCM 2XLD自动电缆测试器进行测量。这种仪器是专门设计用于测量100 ohm绞合电线的在线传输特性。测试板以24 AWG Cat 3电缆进行连接。

加装PolySwitch PPTC器件的ADSL测试结果及讨论

如图4所示,由于加装了PolySwitch TSM600器件,线路的输入阻抗确实发生了少许的改变。随元件的电阻增加,线路阻抗的变化也有所增加。

阻抗对电阻

重要的一点,由于PolySwitch TSM600器件引入线路的电阻,并没有使线路的阻抗与所使用元件的总电阻值等量增加。因为输入阻抗是一个传输线路参数,将相同的电阻加至两条Tip-and-Ring线路,本质上是相互平衡使总阻抗相对没有变化。然而,额外的元件确实会影响共振频率的最小和最大的阻抗数值,如表2所示。

加装PolySwitch 器件的ADSL系统的损耗

如图5所示,PolySwitch TSM600器件确实对线路引入若干损耗。PolySwitch TSM600器件的损耗在ADSL频率范围内是平直而独立的。注意:产生的损耗值是"原有线路"数值与"线路加装PolySwitch TSM600器件"的测试板数值之差值。

加装PolySwitch 器件的ADSL系统的传输速率

根据图6到图13以及表3和表4所给出的资料所示,在DSLAM的Tip-and-Ring上加装PolySwitch TSM600器件,对DSLAM和CPE数据机之间的连接速率没有大的影响。除了16,000英尺点以外,对下行速率在本质上没有影响。

如表3和表4所示,当对最小及平均连接速率差进行测试时,在16,000英尺处观察到最大的下行速率降低,达96 kb/s。这可能是由于所期望的线阻抗和实际的线阻抗不相配而导致的反射引Tip-and-Ring的动力降低所致。如果这种降低是由于反射所致的动力损耗所引起,上行速率会降低,然而在16,000英尺处没有观察到上行速率降低。

值得关注的是,PolySwitch TSM600器件的阻抗增加使观察到的速率降低缓和。对于使用DSLAM的情况,Tip-and-Ring上加装3.5-ohm器件的测试条件明显具有最好的整体性能。在16,000英尺处,在Tip-and-Ring上加装6-ohm器件的性能最好。在Tip-and-Ring上3.5-ohm和6-ohm上行速率测试为每单位线长度有±32 kb/s控制速率。

与没有加装PolySwitch TSM600器件比较,加装PolySwitch TSM600器件并没有减低连接时间。所有条件下都在最大长度17,500英尺处获得成功连接。

本文结论:

在类比和数码通讯系统中加装PolySwitch器件能够为设备制造商及网路营运商带来几项好处,包括:

1. 利用可复式电路保护提高设备的可靠性

2. 对电流过载提供更准确的保护作用

3. 只有较低的能量从设备通过,对敏感的电子元器件起到保护作用

速率的影响可以利用平衡网路的优化抵消。这种优化是PolySwitch TSM600器件比较原有用以开发平衡网路时所考虑的线阻抗所带来的改变。另外,对DSLAM所传输的下行能量谱密度(PSD)进行估值也有必要,可确保连介面和电缆介面传输的能量维持在合适的水平。

由于PolySwitch PPTC可复式器件比耐雷击保险盒与ADSL系统的工作电流配合更好,在电流过载期间流入设备的能量会低得多。这样就可以在下行电路中使用较小的、低功率和较便宜的元器件。

较之使用保险盒或其他非可复式保护方案,使用PolySwitch PPTC器件能够为服务供应商提供ADSL速率和连接性能都很好的ADSL设计方案。同时,还能够为客户提供更可靠的系统。

详细资料请访问泰科公司网站:

欲查文中涉及的图片及表格请查以下PDF资料

作者:Robert Moore

应用工程师

Guillemette Barre

研发工程师

泰科电子公司