高速家用宽带VDSL对线路保护器件的要求

江国强

摘要： 非对称数字用户回路（VDSL）技术采用了先进的调制技术，它能不间断连接，同时提供数据业务和话音业务通道，使用VDSL，短距离内的最大下传速率可达55Mbps，上传速率可达19.2Mbps，甚至更高。从而它比 ADSL传输对线路的保护器件的要求也更高，VDSL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放电以及电源串扰等，因此必须针对可能造成破坏的过电压过电流对设备采取有效的保护措施。

Abstract： Very-high-bit-rate Digital Subscriber loop （VDSL） technology has adopted advanced modulation technology. It can continuously connect and provide data service and voice service channels. Using VDSL， the maximum transfer rate in short distance can reach 55 Mbps， and the upload speed 19.2 Mbps， or even higher. So it has higher requirements on transmission line protector than ADSL transmission. VDSL technology uses ordinary telephone line and its equipment is inevitably affected by outside electrical interference， such as lightning overload， ESD discharge crosstalk and power supply and so on， so it is a must to take effective protective measures against overvoltage overcurrent which may cause damage to the equipment.

关键词： VDSL；过流保护；过压保护

Key words： VDSL；over-current protection；over voltage protection

中图分类号：TM77 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）28-0041-03

0 引言

本文将介绍一些最新推出的VDSL线路保护方案。现常用的线路保护有两种，一种是过压保护，另一种是过流保护，现对此两种器件的技术要求作出分析：

1 过流保护器件：可恢复式PPTC保护器件对传输线路性能影响的分析

保险丝对 PPTC器件技术比较：保险丝为一次性融断器件，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普通保险丝时，会出现难以兼顾抵御雷击脉冲，同时又要配合通讯设备的工作电流，而这里用到的保险丝有时被称之为“耐雷击”保险丝。这种“耐性雷击”保险丝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。

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。

保险丝和PPTC器件的最显著区别在于PPTC的可复式功能。另外，PPTC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。保险丝是一次性器件，因热质低，需要较高的电流规格才能承受一般温和的雷击。使保险丝具有“耐雷击”的技术，是将时间延迟特性和增加额定电流，让保险丝能承受一次或多次雷击。由于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PPTC器件提供的全面保护，带来更可靠的通讯设备。

1.1 电流过载保护技术之激发时间。证明应用PPTC器件能使通讯设备得到更好保护的方式，是比较PPTC器件与保险丝的激发时间。PPTC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。将常用保险丝的激发时间（跳闸时间）与几种为通讯设备设计的PPTC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。

1.2 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丝技术中，用以显示保险丝对于瞬间事件所造成损害的抵御能力。I2t的数值越大，保险丝就越“耐久”。“耐雷击”保险丝的I2t数值通常为两位数，否则保险丝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丝产生了不该有的，结果就是会中断通讯设备的正常工作。与“耐雷击”的保险丝相比较，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。通过比较显示，通过保险丝的能量约为通过PPTC器件的能量的6到8倍。

1.3 加装PPTC器件的VDSL测试结果及讨论。由于加装了PPTC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。重要的一点，由于PPTC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。endprint

1.4 加装PPTC器件的VDSL系统的传输速率。根据资料所示，在DSLAM的Tip-and-Ring上加装PPTC器件，对DSLAM和CPE数据机之间的连接速率没有大的影响。除了5000米点以外，对下行速率在本质上没有影响。值得关注的是，PPTC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5000米处，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PPTC器件比较，加装PPTC器件并没有减低连接时间。所有条件下都在最大长度5500米处获得成功连接。

本段小结：利用可复式电路保护提高设备的可靠性 ，参数：R=8-20Ω，电流：90-100mA，对电流过载提供更准确的保护作用，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。

2 过压保护器件：放电管保护器件对传输线路性能影响的分析

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。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”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。

2.1 线路接口保护 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。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/K2标准（其他国家）气体放电管系列元件满足雷电保护标准，同时寄生电容很小，能够避免VDSL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气体放电管，那么当出现230V的过压时，设备能够得到有效保护。

2.2 可供选择的过压保护元件之间的差异 目前可供选择的过压保护器件主要有以下类别：

①气体放电管是防雷设备中应用最广泛的一种开光器件，气体放电管原理从字面就能理解就是气体放电，具体的内容，我们通过下文来了解。

气体放电管是把一对放电间隙封装在充以放电介质（惰性气体）的陶瓷管中构成的。它串联于线路中，可用在交直流电源、各种信号电路的防雷，都可以用它来将雷电流泄放入大地。

从电气的角度看，气体放电管就是压敏开关。常用的放电管脉冲击穿电压在几百伏到一千多伏，放电管原先处于断路状态，电阻很大，电容很小。一旦脉冲过压达到放电管的脉冲击穿电压，极间的电场强度超过气体的击穿强度时，就引起间隙放电，管内气体电离，放电管导通，由原来的断路状态变为近似短路，这时放电管导通电阻很小，可以通过很大的冲击电流从而将浪涌电流泄放到地，使与放电管联接的其它器件和电路避免受到浪涌冲击而损坏。当放电结束，放电管熄灭，内阻立即返回数百兆欧姆。气体放电管的作用就是用于电路保护，将电源防雷器共模电路中的雷电流泄放入地特点为低电流量，高持续电源，无漏电流，高可靠性。

②半导体放电管：半导体放电管又叫固体放电管，是一种过压保护器件，是利用晶闸管原理制成的，依靠PN结的击穿电流触发器件导通放电，可以流过很大的浪涌电流或脉冲电流。其击穿电压的范围，构成了过压保护的范围。固体放电管使用时可直接跨接在被保护电路两端。

应用领域，固体放电管被广泛应用于通讯交换设备中的程控交换机、电话机、传真机、配线架、XDSL、通讯接口、通讯发射设备等一切需要防雷保护的领域，以保护其内部的IC免受瞬间过电压的冲击和破坏。

电子及通讯设备高速发展的今天，固态放电管已成为世界通讯设备的首选器件。

该器件的优点是导通电压小，几乎无热耗，可重复使用，能承受较大的冲击电流，响应快，使用安全、可靠，其性能优于其它瞬间过压保护元器件。缺点：与气体放电管比较，结电容较高，达200pF，用于VDSL高速线路中对电容要求较小的场合不适用。

③压敏电阻：作用：限压泄流。压敏电阻，正常工作时，具有高阻抗。当遇到电涌时（瞬时过电压或过电流）时，其阻抗开始减小，其内部类似阀门的结构打开，电涌电流通过，与之并联的电路或设备电涌电流减小，当电路中的电涌电流越大，压敏电阻的阻抗越小，通过压敏电阻的电流越大，并且压敏电阻有个残压值，与之并联的电路和设备的电压限制在残压内，起到了保护电路和设备的功能。压敏电阻作为电涌保护器的核心内件，起到防感应雷的作用。由于压敏电阻有一致命缺点：具有不稳定的漏电流，性能较差的压敏电阻使用一段时间后，因漏电流变大可能会发热自爆。

本段小结：本段介绍了一些过压保护器件，并说明了采用气体放电管来做过压保护适合于VDSL线路的要求。

3 结论

VDSL高速宽带线路保护，采用PPTC+气体放电管组合的过压过流能很好的兼过高速传输及保护两种功能。

参考文献：

[1]买云.保护器件的选择导则[J].电力系统通信，1996（04）.

[2]Boris Golubovic.联合式电路保护有助于防止损坏DVB网络设备[J].世界电子元器件，2006（09）.

[3]李祥超，赵学余，孙立群，郑双.控制线路端口电涌保护器参数测试[J].气象教育与科技，2008（01）.endprint

1.4 加装PPTC器件的VDSL系统的传输速率。根据资料所示，在DSLAM的Tip-and-Ring上加装PPTC器件，对DSLAM和CPE数据机之间的连接速率没有大的影响。除了5000米点以外，对下行速率在本质上没有影响。值得关注的是，PPTC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5000米处，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PPTC器件比较，加装PPTC器件并没有减低连接时间。所有条件下都在最大长度5500米处获得成功连接。

本段小结：利用可复式电路保护提高设备的可靠性 ，参数：R=8-20Ω，电流：90-100mA，对电流过载提供更准确的保护作用，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。

2 过压保护器件：放电管保护器件对传输线路性能影响的分析

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。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”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。

2.1 线路接口保护 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。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/K2标准（其他国家）气体放电管系列元件满足雷电保护标准，同时寄生电容很小，能够避免VDSL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气体放电管，那么当出现230V的过压时，设备能够得到有效保护。

2.2 可供选择的过压保护元件之间的差异 目前可供选择的过压保护器件主要有以下类别：

①气体放电管是防雷设备中应用最广泛的一种开光器件，气体放电管原理从字面就能理解就是气体放电，具体的内容，我们通过下文来了解。

气体放电管是把一对放电间隙封装在充以放电介质（惰性气体）的陶瓷管中构成的。它串联于线路中，可用在交直流电源、各种信号电路的防雷，都可以用它来将雷电流泄放入大地。

从电气的角度看，气体放电管就是压敏开关。常用的放电管脉冲击穿电压在几百伏到一千多伏，放电管原先处于断路状态，电阻很大，电容很小。一旦脉冲过压达到放电管的脉冲击穿电压，极间的电场强度超过气体的击穿强度时，就引起间隙放电，管内气体电离，放电管导通，由原来的断路状态变为近似短路，这时放电管导通电阻很小，可以通过很大的冲击电流从而将浪涌电流泄放到地，使与放电管联接的其它器件和电路避免受到浪涌冲击而损坏。当放电结束，放电管熄灭，内阻立即返回数百兆欧姆。气体放电管的作用就是用于电路保护，将电源防雷器共模电路中的雷电流泄放入地特点为低电流量，高持续电源，无漏电流，高可靠性。

②半导体放电管：半导体放电管又叫固体放电管，是一种过压保护器件，是利用晶闸管原理制成的，依靠PN结的击穿电流触发器件导通放电，可以流过很大的浪涌电流或脉冲电流。其击穿电压的范围，构成了过压保护的范围。固体放电管使用时可直接跨接在被保护电路两端。

应用领域，固体放电管被广泛应用于通讯交换设备中的程控交换机、电话机、传真机、配线架、XDSL、通讯接口、通讯发射设备等一切需要防雷保护的领域，以保护其内部的IC免受瞬间过电压的冲击和破坏。

电子及通讯设备高速发展的今天，固态放电管已成为世界通讯设备的首选器件。

该器件的优点是导通电压小，几乎无热耗，可重复使用，能承受较大的冲击电流，响应快，使用安全、可靠，其性能优于其它瞬间过压保护元器件。缺点：与气体放电管比较，结电容较高，达200pF，用于VDSL高速线路中对电容要求较小的场合不适用。

③压敏电阻：作用：限压泄流。压敏电阻，正常工作时，具有高阻抗。当遇到电涌时（瞬时过电压或过电流）时，其阻抗开始减小，其内部类似阀门的结构打开，电涌电流通过，与之并联的电路或设备电涌电流减小，当电路中的电涌电流越大，压敏电阻的阻抗越小，通过压敏电阻的电流越大，并且压敏电阻有个残压值，与之并联的电路和设备的电压限制在残压内，起到了保护电路和设备的功能。压敏电阻作为电涌保护器的核心内件，起到防感应雷的作用。由于压敏电阻有一致命缺点：具有不稳定的漏电流，性能较差的压敏电阻使用一段时间后，因漏电流变大可能会发热自爆。

本段小结：本段介绍了一些过压保护器件，并说明了采用气体放电管来做过压保护适合于VDSL线路的要求。

3 结论

VDSL高速宽带线路保护，采用PPTC+气体放电管组合的过压过流能很好的兼过高速传输及保护两种功能。

参考文献：

[1]买云.保护器件的选择导则[J].电力系统通信，1996（04）.

[2]Boris Golubovic.联合式电路保护有助于防止损坏DVB网络设备[J].世界电子元器件，2006（09）.

[3]李祥超，赵学余，孙立群，郑双.控制线路端口电涌保护器参数测试[J].气象教育与科技，2008（01）.endprint

1.4 加装PPTC器件的VDSL系统的传输速率。根据资料所示，在DSLAM的Tip-and-Ring上加装PPTC器件，对DSLAM和CPE数据机之间的连接速率没有大的影响。除了5000米点以外，对下行速率在本质上没有影响。值得关注的是，PPTC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5000米处，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PPTC器件比较，加装PPTC器件并没有减低连接时间。所有条件下都在最大长度5500米处获得成功连接。

本段小结：利用可复式电路保护提高设备的可靠性 ，参数：R=8-20Ω，电流：90-100mA，对电流过载提供更准确的保护作用，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。

2 过压保护器件：放电管保护器件对传输线路性能影响的分析

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。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”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。

2.1 线路接口保护 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。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/K2标准（其他国家）气体放电管系列元件满足雷电保护标准，同时寄生电容很小，能够避免VDSL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气体放电管，那么当出现230V的过压时，设备能够得到有效保护。

2.2 可供选择的过压保护元件之间的差异 目前可供选择的过压保护器件主要有以下类别：

①气体放电管是防雷设备中应用最广泛的一种开光器件，气体放电管原理从字面就能理解就是气体放电，具体的内容，我们通过下文来了解。

气体放电管是把一对放电间隙封装在充以放电介质（惰性气体）的陶瓷管中构成的。它串联于线路中，可用在交直流电源、各种信号电路的防雷，都可以用它来将雷电流泄放入大地。

从电气的角度看，气体放电管就是压敏开关。常用的放电管脉冲击穿电压在几百伏到一千多伏，放电管原先处于断路状态，电阻很大，电容很小。一旦脉冲过压达到放电管的脉冲击穿电压，极间的电场强度超过气体的击穿强度时，就引起间隙放电，管内气体电离，放电管导通，由原来的断路状态变为近似短路，这时放电管导通电阻很小，可以通过很大的冲击电流从而将浪涌电流泄放到地，使与放电管联接的其它器件和电路避免受到浪涌冲击而损坏。当放电结束，放电管熄灭，内阻立即返回数百兆欧姆。气体放电管的作用就是用于电路保护，将电源防雷器共模电路中的雷电流泄放入地特点为低电流量，高持续电源，无漏电流，高可靠性。

②半导体放电管：半导体放电管又叫固体放电管，是一种过压保护器件，是利用晶闸管原理制成的，依靠PN结的击穿电流触发器件导通放电，可以流过很大的浪涌电流或脉冲电流。其击穿电压的范围，构成了过压保护的范围。固体放电管使用时可直接跨接在被保护电路两端。

应用领域，固体放电管被广泛应用于通讯交换设备中的程控交换机、电话机、传真机、配线架、XDSL、通讯接口、通讯发射设备等一切需要防雷保护的领域，以保护其内部的IC免受瞬间过电压的冲击和破坏。

电子及通讯设备高速发展的今天，固态放电管已成为世界通讯设备的首选器件。

该器件的优点是导通电压小，几乎无热耗，可重复使用，能承受较大的冲击电流，响应快，使用安全、可靠，其性能优于其它瞬间过压保护元器件。缺点：与气体放电管比较，结电容较高，达200pF，用于VDSL高速线路中对电容要求较小的场合不适用。

③压敏电阻：作用：限压泄流。压敏电阻，正常工作时，具有高阻抗。当遇到电涌时（瞬时过电压或过电流）时，其阻抗开始减小，其内部类似阀门的结构打开，电涌电流通过，与之并联的电路或设备电涌电流减小，当电路中的电涌电流越大，压敏电阻的阻抗越小，通过压敏电阻的电流越大，并且压敏电阻有个残压值，与之并联的电路和设备的电压限制在残压内，起到了保护电路和设备的功能。压敏电阻作为电涌保护器的核心内件，起到防感应雷的作用。由于压敏电阻有一致命缺点：具有不稳定的漏电流，性能较差的压敏电阻使用一段时间后，因漏电流变大可能会发热自爆。

本段小结：本段介绍了一些过压保护器件，并说明了采用气体放电管来做过压保护适合于VDSL线路的要求。

3 结论

VDSL高速宽带线路保护，采用PPTC+气体放电管组合的过压过流能很好的兼过高速传输及保护两种功能。

参考文献：

[1]买云.保护器件的选择导则[J].电力系统通信，1996（04）.

[2]Boris Golubovic.联合式电路保护有助于防止损坏DVB网络设备[J].世界电子元器件，2006（09）.

[3]李祥超，赵学余，孙立群，郑双.控制线路端口电涌保护器参数测试[J].气象教育与科技，2008（01）.endprint