T1/E1接口保護電路設計方法

2019-11-03 09:56:56

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■ IDT-新濤科技(上海)有限公司工程師陳振生前言

　　隨著集成電路的集成度越來越高，電路越來越復雜，工作電壓越來越低，對環境穩定性的要求也越高。一方面由于電子設備內部結構高度集成化，從而造成設備耐壓、耐過電流的水平下降，對過壓和過流的承受能力下降，另一方面由于信號來源路徑增多，系統較以前更容易遭受過壓和過流侵入。

　　由于電信業的競爭日益增加，電信服務供應商對電信設備供應商提供的高可靠性網絡設備的需要也相對提高。過壓和過流的危害通常是由：雷擊、臨近電線引起的感應和直接與電源線碰接或用戶設備故障所導致。這些危害可能危及電信網絡設備用戶和維護人員。因此電信設備供應商以增加設備的抗過壓和過流的能力來降低電信系統維護成本和提高電信系統可靠性。本文探討IDT的T1/E1線路接口集成電路用在電信網絡設備中的典型保護方法。

電信系統保護

　　電信系統中的過壓和過流是由于雷擊已及經由交流電源網絡交互作用所致。直擊雷的能量和初始功率極大，對設備造成的危害是災難性的。然而最常見的電子設備危害不是由于直接雷擊引起的，而是由于雷擊發生時在電源和通訊線路中感應的電流浪涌引起的。浪涌電壓可以從電源線或信號線等途徑竄入電信設備，過壓和過流可能由直接或間接方式流入電纜線中，或是經由地電流作用而流入地下電纜。由于電信系統纜線經常與電力系統共用同一傳輸設備或同一接地，感應電流經常可由電信系統用戶接口中tip和ring 測量到。電信系統中的過壓和過流會以縱向(longitudinal)和金屬化(metallic)二種模式發生?？v向模式發生在tip和ring與對地電阻不相等的情況?？v向過壓和過流是較常見的狀況，多半發生在電源感應時或電源錯接的環境中。雷擊產生的過壓和過流也是電信系統中在信號不平衡環境中的典型縱向模式的過壓和過流。金屬化模式即是發生tip和ring之間的過壓和過流情形，也可以說是網絡間信號不平衡的結果。

　　電信系統中的過壓和過流保護一般分為初級保護，二級保護和三級保護。由于篇幅所限，本文主要討論二級保護。二級保護是處理初級保護之后殘余的過壓和過流。二級保護通常安裝在需要被保護的設備上，同時這種保護處理是電信設備供應商的責任，其要求條件要根據相應規范及電信運營商需求而定。

二級保護的特點

　　二級保護應具有過壓和過流保護功能，通常由限流器和限壓器來完成。

　　限壓器

　　理想的通信線路限壓器應是電容小、殘壓低、通流大、響應快。常見的幾種限壓器元件及其工作特性如下：

　　*過電壓放電器/氣體放電管過電壓放電器/氣體放電管是具有一定氣密的玻璃或陶瓷外殼，中間充滿穩定的氣體，如氖或氬，并保持一定壓力。電極表面涂以發射劑以減少電子發射能。這些措施使得動作電壓可以調整(一般是70伏到幾千伏)，而且可保持在一個確定的誤差范圍內。當電壓升高至放電電壓Ua之前，GDT(氣體放電管)是一個絕緣體(電阻Riso>100MW)。當電壓升高到大于放電電壓后，過電流大部分泄入大地，產生電弧放電，電壓會降低到幾乎與電流大小無關的電弧電壓(10V~25V)。當電流下降到低于低限值時，放電器會熄滅電弧并恢復其原來的高電阻狀態。GDT通常是安裝在承受運行電壓的線路支線上，因此就有放電器不能熄弧的風險。所以對熄弧性能有一定的要求。GDT的能量吸收能力與其它電壓限制裝置相比是非常高的。放電特性也受電壓上升速度的影響。這種裝置的兩電極和三電極型應用于電訊工業中。三電極型專門為成對線路設計，可以理解為帶一個公共電弧室的兩個組合電極的放電器。這種設計可確保在兩個室中同時產生電弧，因而當兩條線中同時發生干擾時，可以獲得最優的共模干擾抑制。

　　*變阻器/VDR 變阻器是陶瓷元件。例如，將氧化鋅(與其它添加劑一起)在一定條件下燒結，電阻就會受電壓的強烈影響。這個特性也是其名字(電壓變阻器)的由來。電流(I)隨著電壓(U)的上升而急劇上升。正式的關系由公式I=aKU表達，其中K是與幾何形狀有關的元件常數，a是一個非線性指數。變阻器的特性是當處于工作電壓時，壓敏電阻值極大；在雷電波侵入作用下，它的電阻值甚小，向大地泄放電流。由于電流過大，因此變阻器內部發熱量很大。變阻器在遠高于其額定電壓的情形下運行一般只可能保持很短的一段時間。

　　*齊納二極管雙向齊納二極管具有與變阻器類似的導電特性，對正向和反向電流在電流/電壓特性上有一個拐點。非線性指數比變阻器要高，使二極管的“開通”更為急劇，因而可以有效地規定限制電壓。其結構是兩個二極管反向串聯，可獲得對稱性。運作于“反向”方式下的二極管PN結阻擋層一般可阻止電流經過。當電場強度超過一定水平時，電子就會脫離其晶格束縛(即齊納效應)，而已經大大加速的帶電粒子會從晶格中推出更多的粒子(即雪崩效應)。結果就是阻擋層的“突破”并產生電流。這個“突破”電壓稱為齊納電壓Uz，電壓穩定效應則是由于當電壓大于Uz時，很大的電流變化只產生很小的電壓變化。齊納二極管的穩壓效應比變阻器要好。齊納二極管的能量吸收比變阻器小，因為其阻擋層比變阻器層要薄得多。因此齊納二極管的負荷承受能力要低得多，由此所出現的過熱情況可以部分地用壓制成形的金屬電極補償，電極可以散掉熱量，但也增加了體積。抑制二極管是一種特別的保護二極管，具有很短的反應時間及很高的尖峰電流負荷承受能力。

　　*閘流二極管由于放電電流中伴有很大的電壓降，變阻器和二極管必須吸收大量的能量。在保護設備起作用之后，容許把故障電壓降低到遠低于保護電平的值，甚至低于運行電壓，以便減少能量的轉換。這種特性類似于放電器的“火花放電”。在半導體元件中，上述特性可以在閘流二極管中觀察到。閘流二極管開始會阻塞，直到達到放電電壓時，電壓下降至幾伏并產生放電電流。當電流下降到最小值時，閘流二極管會重新阻塞，并恢復其原來的斷路狀態。與GDT一樣，在這種情況下，必須滿足干擾清除后會安全停止放電的要求。閘流二極管有單向和雙向元件。其特點是高尖峰電流和短反應時間，因而特別適用于較高的保護電平(幾十伏到幾百伏)。

　　設計相同的齊納和閘流二極管其限制電壓與容許放電電流的關系取決于半導體。這些二極管的結構和尺寸決定了能吸收的功率大小。隨著限制電壓的提高，齊納二極管的容許電流呈雙曲線下降，然而閘流二極管的容許電流幾乎是恒定的。其原因是，在閘流二極管放電以后，電壓降幾乎與電流大小無關。由此可見，在結構體積相同的情況下，齊納二極管較適用于低的限制電壓，而閘流二極管則適用于高的限制電壓，其分界點是50V左右。

　　*熱敏電阻以上所討論的元件其功能都是基于純電壓效應。熱敏電阻在溫度升高時電阻會減少。與任何電阻一樣，電流所產生的電能損耗會使熱敏電阻升溫，使電阻下降，電流升高。結果就形成了與穩壓元件相似的電流/電壓關系。但是只有在反應時間之后，這種效應才會發生。所以保護作用受到元件熱慣性的影響。

　　*TVS器件瞬態電壓抑制器簡稱TVS。TVS具有體積小，功率大，響應快，無噪聲，價格低等諸多優點，是目前國際上普遍使用的一種高效能的保護器件。它的外形與普通二極管無異，但卻能“吸收”功率高達數千瓦的浪涌信號。TVS器件的主要特點是在反向應用條件下，當承受一個高能量的瞬時大脈沖時，其工作阻抗立即降至很低的導通值，允許大電流通過，同時把電壓箝制到預定水平；其響應時間僅為1×10-12秒，因此，可有效地保護電子線路中的精密元器件免受損壞。另一類TVS是雙向的，它正負兩個方向均可“吸收”瞬時大脈沖。這類雙向TVS用于交流電路是極方便的。由于它響應時間快，瞬態功率大，漏電流小，擊穿電壓偏差小，箝位電壓較易控制，沒有損壞極限，體積小等優點，因此TVS應用十分廣泛。

圖1 金屬化(metallic)模式的過壓和過流保護

圖2 縱向(longitudinal) 模式的過壓和過流保護

限流器

　　限流器的電流限制特性有兩個功能：第一、當超過電流限值時，無條件地切斷電路或者加以限制；第二、去耦與/或抑制短暫電壓/電流尖峰(大部分情況下與電壓限制元件一起使用)。

　　限流器可以是一個電阻、保險絲或PPTC自復式電路保護元件來完成。

　　*電阻電阻是去耦的最簡單方式，一般沒有斷路的功能。電壓尖峰所產生的短暫電流尖峰會在電阻上產生相應的壓降，因而減少了干擾的影響。去耦元件常常與電壓限制元件一起用于電路中而作為串聯的電阻器。

　　在應用中最大允許串聯電阻常常受到很大的限制(限制為幾歐)。一方面，要求在工作電流下的電壓降低；另一方面，要求在工作電流下保護電阻器不會過載，由于去耦效應與電阻值成比例，所以使用電感器應該有所幫助。

　　*保險絲保險絲是傳統的電流限制元件，是由導電熔絲構成，置于線路中受保護元件的前邊。熔絲具有一定的電阻，熔絲的溫度在一定電流下會上升(溫度取決于熱容量、輻射和散熱)，直到熔絲熔化，從而實現保護。

　　電感(線圈)可對短暫尖峰具有很高的去耦效應，而同時保持很低的直流電阻。但也有一個缺點：其阻抗隨頻率而變，因而嚴重損害保護元件的傳輸性能。

　　*PTC(正溫度系數)電阻器通常是陶瓷元件，在正常溫度下呈現歐姆特性，因此像電阻器一樣是去耦元件。溫度升高時，初始電阻基本保持不變。當超過一個特定的溫度后，電阻急劇上升(上升104倍~106倍)，當溫度再升高時，電阻的上升又變平緩。溫度上升可能由于外部加熱也可以由電流產生的內部加熱。在內部加熱方面，PTC電阻器與保險絲相似，不同的是當故障清除以后，PTC電阻器能自動地接通線路。因此，這種元件可以提供過電流保護而不需要太多的維護。

保護設計的范例

　　圖1和圖2分別是金屬化模式和縱向模式的過壓和過流保護電路圖，供有關設計人員參考。具體的電阻值請參見IDT的數據手冊。■

摘自《電子產品世界》

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