电信网络中用户接口电路的保护

gemmy

  作者：Andre Bremond


   数字技术在蓬勃发展，然而在全世界，电信模拟线路仍然是用得最多的，现在大量使用著的还是POTS（纯旧式电话系统）。从应用的角度看，用户线路接口电路（SLIC）可以分成两种类型：一种是长线路，其中使用传统的铜双绞线，距离可以达数千米；另一种是短线路，长度只有几十米。在短线路这种情形中，信号是通过现代化的数字设备在一个很长的距离上传送，例如光纤、同轴电缆、RF链路等等。长线路是用於传统的电信网，而短线路则用於现在出现的遥控电信系统。这些相当新的系统包括光纤、WLL、有线电视网上的电话或者在50/60 Hz的电力网上的电话。这两种线路都需要保护，仍然是系统设计的主要课题。只要是模拟电信线路，就可以用LCP来保护SLIC。LCP15xx及LCP02-xxx可以保护市场上所有的SLIC。
电信线路受到的干扰
   电信线路所受到的干扰主要有两种。一种是和大气活动有关，另一种是电力网的50Hz或者60 Hz干扰。在国家标准中，这两种干扰都有详尽的定义，表1列出全世界使用的主要标准。

表1及表2是世界上主要的闪电浪涌标准。

表1　電源線卡閃電浪涌標準

國家
標準名稱
浪涌電壓
波形
電流

世界性
ITU-T K20
1000V
10/700μs
25A

世界性
IEC-61000-4-5
1000/4000V
10/700μs
25/100A

世界性
IEC-61000-4-5
1000/4000V
1.2/50μs
25/100A

德國
VDE0433
2000V
10/700μs
50A

德國
VDE0878
2000V
1.2/50μs
50A

美國
GR-1089 Core (Bellcore)
2500V
2/10μs
500A

美國
GR-1089 Core (Bellcore)
1000V
10/1000μs
100A

法國
13124
1000V
0.5/700μs
25A



表2　在GR-1089標準中關於建築物內部的閃電浪涌的規定

測試
浪涌電壓最大值(V)
波形(μs)
每個導體的浪涌電流(A)
每種極性的重覆次數

1
±800
2/10
100
1

2
±1500
2/10
100
1



   关於50/60 Hz干扰的标准可以用两个参数表示：施加的电压（在60 V和1000 V之间），以及测试持续的时间（在0.2 s和15分钟之间）。为了对付这种干扰，设计人员应当在电源与受保护装置之间串联进去保护元件，例如PTC或者熔断丝。
LCP的保护作用
   图5是使用LCP15xx并联保护器件的传统电路。这个电路已经用来保护新的高电压SLIC。用这个电路时，系统可以对点火的负电压的数值进行编程，同时把极性为正的电压钳在固定不变的地电位（GND）。
   如果在其中的一根线（例如线1）上出现极性为负的浪涌电压时，电流Ig流过晶体管T1的基极，然後注入一个电流到晶闸管Th1的控制极。於是Th1导通，浪涌电流全部经过它旁路到地。在浪涌过去之後，当流过Th1的电流变得低於保持电流IH时，Th1便阻断。
   如果在其中的一根线（例如线1）上出现极性为正的浪涌电压时，二极管D1导通，浪涌电流经过二极管D1旁路到地。
   为了在浪涌出现时降低SLIC输入端的电压，采用一种4端电路（引脚1和8用於保护TIP、引脚4及5用於保护RING）。那麽，电路板的设计人员就可以把用图6所示的方式进行连接。如果PCB板是用这个方法设计的，那麽由於杂散电感和电流的的变化引起的过高电压（Ldi/dt）仍然在LCP连接到电力网的那一侧，而不会影响到SLIC这一侧的电路。
   电容C是为了在极性为负的浪涌电压上升很快时，加速并联保护器件点火速度。这样在出现变化很快的浪涌时，SLIC的TIP及RING输入上的动态电压可以保持很小。应当注意的是，这个电容器通常是放在SLIC的Vbat引脚附近。所以，为了有效地起作用，它应当尽量靠近LCP15xx的控制极，以及接地线（或接地面）（见图6）。电容C的最优数值是220nF。

图5　LCP15xx的保护作用
图6　用LCP15xx时PCB板的布置实例

　　在图5中，串联电阻器RS1与RS2代表熔断丝的电阻或PTC的电阻。它们一定要经受得住不同国家的标准所要求的接触测试或者感应测试。把这个考虑在内时，实际上流过LCP的闪电浪涌电流等於
        I浪涌 = V浪涌/(Rg + Rs)
  其中，V浪涌 = 标准所规定的浪涌电压最大值；Rg = 浪涌产生器的串联电阻；Rs = 线路卡（例如PTC）的串联电阻。举例来说，在线路卡中，30Ω的串联电阻应当可以承受住GR-1089 Core 标准中的1000V、10/1000μs浪涌。流过LCP1521的实际电流等於：
I浪涌= 1000/(10 + 30)=25 A。

LCP保护器件
   LCP保护器件有两种产品。LCP15xx是用於保护正常工作电压总是负的线路，负电压的数值的范围在-Vbat与地电位（GND）之间。在图7中是它的电气特性，由图7可见，它的电气特性是不对称的。阈电压Vg是指加在控制极的负电压。对於LCP1511D，这个电压可以在-80 V与0 V之间；对於LCP1521这个电压在-150 V与0 V之间。
   LCP02-xxx是用於保护那些正常工作电压可能极性为负、也可能为正，在-Vbat与+Vb之间的线路。图8所示是这种并联保护器件的电气特性，曲线为正和负的部分都是可调的。Vgp阈电压是指控制极GP的正电压，而Vgn阈电压是指连控制极Gn的负电压。

图7　LCP15xx的电路及电气特性
图8　LCP02-xxx的电路及电气特性
　
长线路的保护
   在传统的电信网中，是用长线路进行连接的。使用这个方法的系统中，核心部分是巨大的中央机房，它与用户之间用长线路连接起来。在这种情况下，线路的长度可能有几千米。用集成电路的这种SLIC用户可以分成两种类型。最传统的一种是用机械继电器来管理铃流产生器或者语音。另外一种是把铃流产生器的管理也集成到一起。

图9　振铃信号管理电路在外面的SLIC

   图9是使用机械振铃继电器的SLIC的保护电路，由两级保护电路实现保护功能：第一级是在线路与振铃继电器之间，第二级是放在振铃继电路与SLIC之间。
   第一级保护电路是用於保护铃流产生器，用一个三通保护器件（THBTxxx11D，用於30 A的产品；或者TLPxxx，用於100 A的产品）。这部分的保护电路是对称的，工作在+V或者-V（例如±200 V），选择V的数值略高於SLIC的电源电压。
   第二级保护电路是为了进行精密的保护，使用高集成技术的现代SLIC时需要这一级保护。当电压高於SLIC的电源电压时，这一级保护电路应当转入导通状态。
   如果在PTC或在熔断丝那部分不可以用电阻的话，标有（**）的电阻器使LCP15xx可以保护100 A及50 A这两种产品。在这种情况下，当出现浪涌时，LCP15xx开始起作用，在流过LCP15xx的电流变得过於大之前，在电阻器(**)上的电压降可以把TLPxxx点著。於是浪涌电流全部从TLPxxx保护器流走。
   标有(**)的电阻器并不是非用不可。当所要保护的SLIC对於栓锁现象很灵敏时，就必须加上。

图10　在出现的极性为负的10/700μs浪涌时，LCP15xx的工作状况

图10是当出现ITU-T K20标准规定的20 A、10/700μs的浪涌时，流过LCP15xx的TIP脚的浪涌电流，以及它上面的电压降。TIP电压跌到电池电压（-48 V）然後点火。

图11　在出现的极性为正的10/700μs浪涌时，LCP15xx的工作状况

如果在TIP那条线上出现极性为正的浪涌，在TIP与GND之间的二极管导通，然後，浪涌电流全部流到地，如图11所示。

图12　在ITU-T K20功率测试（600Ω）中，LCP15xx的工作状况

图12是LCP15xx进行230 VRMS、600Ω的功率浪涌测试时，它上面TIP脚上的电压以及通过它的电流。在TIP脚上的电压大致是在+1 V与电池电压（-48 V）之间变动。

图13 SLIC中包含振铃信号管理时的保护电路

   在图13中，SLIC是由一个极性为正的+Vb的电压以及一个极性为负的-Vbat电压作为电源。因而，它能够处理在这个范围内的信号，尤其是，在输出端是在直流偏置的振铃信号的方式时，能够工作。对於这个电路，只需要一个保护元件，当瞬变电压达到+Vb或者-Vbat这个极限时，就能够工作。
   LCP02-150B1可以用於30 A、10/1000μs的产品，不需要串入电阻；而用於50 A的产品时，需要串入电阻RS（例如PTC）。LCP02-150M是针对100 A、10/1000μs的应用而设计的，它是用於美国的户外产品。

图14　在进行GR-1089 Core标准的+1 kV的10/1000μs的浪涌测试时，LCP02-150x的工作状态，RS = 50Ω。
图15　 在进行GR-1089 Core标准的-1 kV的10/1000μs的浪涌测试时，LCP02-150x的工作状态，RS = 50Ω。

　　图14和15是按GR-1089 Core标准进行极性为正及为负时的浪涌测试时，LCP02-150x的电流和电压。测量是在±1 kV的情况下进行，测试的电路板上串联了50Ω的电阻RS。在进行这些测量时，极性为正的控制极Gp及极性为负的控制极Gn接到一个220 μF的加速电容器上，分别偏置在+65 V和-65 V。在这种情况下，点火阶段的最大电压大致是±75 V。

图16　　在进行GR-1089 Core标准的第一种AC 测试时，LCP02-150x的工作状态，电压为400 V、RS = 50Ω。

　　图16是LCP02-150x的电流及电压波形。在振铃线路或者TIP脚相对地之间剩余的最大电压，它大致上等於控制极Gp及Gn的偏置电压±65 V。

短线路的保护
   短线路是用在新的电信网中。这种线路是用於WLL、光纤、NT1+、在有线电视网上的电话、使用50/60 Hz电力网的电信系统这类新的应用及产品上的。它们需要的电池电压，以及振铃电压，都低於长线路所需要的电压。因此可以用新一代的高压SLIC器件，这些器件有用单电源供电的，也有用双电源供电的。图17和18是短线路的保护电路。

图17　用高压SLIC的短线路的保护
图18　使用正电源及负电源的SLIC的短线路中的保护电路