优化ADSL调制解调器的输入/输出保护

2003年05月18日

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。

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。

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。

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-1089 Core 500A 2/10μs标准(美国)或ITU-T K20 /K21标准(其他国家)。

SMP100LC 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。

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。

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

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:

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)