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越來越多的業務和個人信息都存儲在“云”中，當今時代，確保快速、可靠地訪問這些信息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、無縫地向用戶傳遞語音、數據、視頻和互聯網連接。

光纖網絡已經逐步為各地的社區帶來高速連接，但對于電信供應商來說，他們需要使用其現有的銅線。如此一來，G.FAST技術應運而生，由于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。由于在經濟上擴大寬帶覆蓋的巨大潛力，一些行業專家預測G.FAST芯片全球市場將增至29億美元。

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程終端(又稱光纖到節點，或FTTN)，然后利用已到位的銅線基礎設施在距離用戶端“最后一英里”的區域設立分支(圖1)。

G.FAST技術采用寬頻帶寬(高達106MHz，有潛力達到212MHz)向用戶提供話音/數據/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數據。沒有必要為每個新用戶“上門服務”，用戶可以在幾分鐘內自行安裝新的G.FAST調制解調器，并將其插入到自己的系統中。

圖1：FTTdp接入網。

G.fast技術與FTTdp(光纖到配電點)、多端口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帶寬的優勢(幾乎和以前的XDSL技術一樣)。例如，盡管VDSL2最高速度為100Mbps，但達到該速度需要用綁定(即使用兩對雙絞線)和矢量化來消除串擾。

同樣，ADSL2+的最高速度為10Mbps，ADSL2的最高速度為5Mbps，ADSL的速度限值為1Mbps。相比之下，G.fast在100m單根雙絞線(24AWG/0.5mm)電纜上的目標數據速率為1Gbps；對該技術的持續改進可提供更快的數據速度，拓寬其應用前景(圖2)。G.fast芯片組技術的先驅Sckipio進行的研究也表明，在速度高達數百Mbps的情況下，距離可達500m。

圖2：FTTdp G.fast架構。

G.fast電路保護所面臨的挑戰

對于G.fast等高帶寬線路，放置在線路上的任何電路保護元件的電容都可能會降低信號強度，從而降低其速率和覆蓋范圍。但是節點中的G.fast調制解調器和電路必須受到保護，防止雷電引起的浪涌造成損壞。盡管用戶端設備(CPE)設計人員可采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)二極管陣列和保護型晶閘管，但無論他們選擇何種方案，都必須使其設計至少能符合TIA-968B(以前稱為FCC第68部分)的浪涌要求。在美國，任何連接到公共交換電話網絡(PSTN)的通信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供應商可能會傾向于在美國市場采用符合GR-1089-Core的安全設計。

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

? GDT的優點包括浪涌電流額定值高達20kA，電容額定值低至1pF，0V偏壓。由于其浪涌額定值很高，這種器件通常用于一次保護，但是由于其對高頻元件的干擾很低，因此有時也將其用于高速數據鏈路。但是，對于G.fast應用來說它們也有一些缺點，包括初始電壓閾值過高(這意味著在遇到超過系統正常工作電壓的浪涌時，其可能無法在足夠低的閾值下激活以保護電路)，安裝于黑暗環境中時GDT性能特征可能會發生變化，占用空間相對較大，電源故障期間會產生熱積累。

? TVS二極管陣列是可提供低電壓閾值導通值的鉗位型器件。然而，由于其鉗位特性，它們會耗散更高的功率，因此必須加大尺寸，以實現類似于晶閘管撬棍(crowbar)器件的浪涌額定值。這種尺寸較大的硅封裝可產生可能與高帶寬信號不兼容的較高斷態電容值。

? 保護型晶閘管是一種PNPN器件，可以被認為是沒有門極的晶閘管。當它超過峰值斷態電壓(VDRM)時，它會將瞬態電壓鉗位在器件的開關電壓(VS)額定值內。然后，一旦流經它的電流超過其開關電流，它就會快速切斷電源而模擬短路狀況。而流經它的電流小于其載流(IH)時，它將復位并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響應時間快速、電氣特性穩定、長期可靠性和電容較低。而且由于它們是crowbar器件，不會因電壓造成損壞。

在美國，電信公司在其網絡側安裝的設備(例如在附近裝有光網絡終端設備(ONT)的機柜中)，其電路保護必須符合NEBS(網絡設備構建系統)設計指南，這反過來可能需要符合GR-1089第6期端口類型3浪涌。由于這些回路很短，端口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。端口類型3是這類設備中的最嚴重情況。

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的高浪涌電平要求，只要它正確位于變壓器和DSL驅動器之間的電路中即可(圖3)。變壓器衰減浪涌。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。

圖3：G.fast信號的幅度遠遠低于現有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察覺不到。如果器件處于第三級位置(如上圖所示)，速率和范圍測試顯示損耗小于0.2dB，可以接受。

對于G.fast設計人員而言最新一代保護型晶閘管的優點

開發G.fast硬件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)布局中時，它可為安裝在用戶端的G.fast調制解調器和位于光網絡終端(ONT)設備中的G.fast驅動器提供雷電浪涌保護，此時光纖將被終止并且信號被轉換為模擬信號(參見圖3中的線驅動器參考設計)。欲了解有關此參考設計的更多信息，請參閱《G.fast Line Driver Tertiary Overvoltage Protection Application Brief(G.fast線路驅動器三次過壓保護應用簡介)》。

? 還可用于保護各種電信設備對GR-1089的高浪涌電平要求，最新一代保護型晶閘管可防止信號衰減。這種能力是初始低斷態電容(最大值僅為2.0pF)和電容過壓波動極小所帶來的，因此可以避免干擾穩態信號(電容變化對DSL信號進行解調)。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范圍。

? 借助各種截止電壓，它可與G.fast功率譜密度(PSD)限值兼容，它還可用于與VDSL2向后兼容的G.fast芯片組。在這些情況下，許多線驅動器將增加其輸出電壓范圍，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兼容。由于SOT-23-6封裝提供了流通式設計，可簡化電路板布局設計工藝，因此PCB信號衰減更低。當PCB設計師對電路板進行布局時，該器件可使設計人員在設計時保持PCB走線平行，并且不需要短截線連接——兩種情況均可能導致線路上的阻抗失配。

? 高浪涌額定值(最小30A)可在雷擊引起的浪涌突降或穿過正極線和負極線對時，為G.fast調制解調器提供良好保護。撬棍型器件看起來就像是一個可以將浪涌電流從G.fast線路驅動器中分流出去的短路，從而防止線路驅動器損壞。一旦浪涌事件完畢，晶閘管自動復位，調制解調器繼續運行。15至16A的浪涌額定值通常無法提供充分保護，并且對于經受更嚴重暴露的G.fast應用來說保護能力是不夠的(包括GR-1089第6期建筑物間要求和ITU K20/21/45補充外部線路建議)。

總結

與現有的GDT和TVS二極管陣列的優缺點相比，最新一代保護型晶閘管與G.fast技術相結合，可以提供最先進的屏蔽電路保護，對電信公司及其商業和住宅客戶來說，均可更快速、更輕松、更方便地訪問云服務。

《EDN電子技術設計》2018年7月刊版權所有，謝絕轉載。

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