精心設(shè)計以實現(xiàn)高可靠性來保護5G 宏基站

作者：Todd Phillips，Littelfuse公司

包括新的 5G手機通信系統(tǒng)在內(nèi)，任何通信系統(tǒng)都十分重視可靠性，必須把停機時間減至最少。獲得高可靠性的首要條件，就是需要 5G 宏基站能夠抵御電力線浪涌和電氣干擾，例如雷電引起的瞬變和其它瞬變和過載。

除了電源線可能造成的損壞外，基站還必須可靠耐用，能夠抵御閃電和靜電放電(ESD) 沖擊等環(huán)境電氣危害。工程師在設(shè)計時，便需要保護他們的 5G 基站免受這些電氣危害，以防止損壞基站并避免停機時間。

電源線以外的三大基站系統(tǒng)，即電源、備用電池系統(tǒng)和基帶單元，就是需要保護的重點。我們在設(shè)計的時候，便要確保這三大系統(tǒng)得到足夠保護。

保護電源和備用電池系統(tǒng)

電源和備用電池系統(tǒng)提供交流線路電源和直流電池備用電源，以確保在禁用交流線路電源時基站保持供電。下圖顯示了電源和備用電池系統(tǒng)的電路塊。

電源和備用電池系統(tǒng)框圖。圖片由Littelfuse公司提供

保護輸入保護、整流器和濾波電路

在宏基站應(yīng)用中，輸入保護、整流器和濾波器將交流輸入轉(zhuǎn)換為直流。由于與交流線路連接，因此需要一整套過電流和過電壓瞬態(tài)保護。

快速熔斷器可以防止損壞電源中的功率半導(dǎo)體，提供電流過載和短路保護。使用這種方法，有必要確保所選熔斷器具有額定電流，以避免由于電源的浪涌電流而造成的故障。熔斷器的額定電壓也要超過交流線路上的電壓。

其它電源電路可以在輸入線路上加入一個 MOV 和氣體放電管，以吸收和保護電路免受交流線路感應(yīng)電壓瞬變的影響。還建議在電路中使用 TVS 二極管，以提高對瞬態(tài)浪涌的抗擾度并提高長期可靠性。

最后，在電路中添加一個磁傳感器以確保電子柜門打開時斷開電源。

高頻轉(zhuǎn)換器和鉗位電路

高頻轉(zhuǎn)換器和鉗位器將整流后的交流線電壓轉(zhuǎn)換為 kHz 頻率范圍內(nèi)的脈沖波形。

TVS 二極管可用于吸收任何設(shè)法通過輸入電路的瞬變并保護下游電路。

可以使用具有低Rds (on) 和高 dv/dt 的 MOSFET 來降低通態(tài)功耗和開關(guān)功率損耗，以提高開關(guān)電源的效率。

輸出整流濾波電路

輸出整流和濾波器將脈沖電壓轉(zhuǎn)換回直流電壓。一種解決方案是使用具有超低正向電壓的肖特基二極管整流器來減少電路中的損耗。肖特基二極管的正向壓降低，有助于提高電源效率。

輸出直流保護電路

在輸出直流保護電路中使用快速熔斷器可以保護電源免受負載中的任何過載故障，包括 AAS 和基帶單元。

備用電池

備用電池是一種大功率電池組，可以在交流電源中斷時支持基站。為了幫助保護此設(shè)備，在電池電路上使用快速熔斷器以提供過載保護。

此外，監(jiān)測電池溫升對于確保電池的安全性是必要的。為此，您可以使用放置在電池組模塊上的表面貼裝熱敏電阻。這種方法還可以幫助保護電池組模塊免于過度充電。

三端熔斷器可以替代快速熔斷器，它可用于檢測過電壓情況并充當熔斷器，將模塊與充電電壓斷開。

微型斷路器為電池組提供過熱和過流保護，并提供輔助保護元件，幫助防止電池組進入過充電狀態(tài)或過放電狀態(tài)，可以作為備用電池電路中電池管理 IC 備用的元件，它可以是與聚合物正溫度系數(shù)元件并聯(lián)的開關(guān)。。

總體而言，備用電池電路中的電池管理系統(tǒng) (BMS) 具有連接到每個電池組的單個電池的電壓檢測線。這些感應(yīng)線容易受到 ESD 和其它電壓瞬變的影響。建議使用由一個封裝組成的 TVS 二極管陣列，其中兩個 TVS 二極管在檢測線上以陽極到陽極的方式連接，以實現(xiàn)雙極瞬態(tài)保護。

當備用電池電路使用 I 2 C 通信協(xié)議將電池組的狀態(tài)從電量計 IC 傳輸?shù)诫姵毓芾?IC 時，請考慮使用聚合物正溫度系數(shù)元件在高壓瞬態(tài)期間限制 I 2 C 線路上的電流。該系列元件可保護安全吸收 I 2 C 數(shù)據(jù)線上瞬變的過壓組件。

保護基帶單元

基帶單元有自己的電源，處理來自呼叫和數(shù)據(jù)傳輸的數(shù)據(jù)，對傳輸進行編碼或?qū)邮盏降男盘栠M行解碼，并在有線基礎(chǔ)設(shè)施和 AAS 之間鏈接數(shù)據(jù)。如下圖所示。^

基帶單元框圖。圖片由Littelfuse公司提供

基帶單元的電源輸入

可以使用熔斷器在電源輸入電路的輸入端進行過電流保護。對于直流電路還可以考慮使用快速熔斷器。表面貼裝快斷型版本可節(jié)省空間。

金屬氧化物壓敏電阻 (MOV) 和氣體放電管串聯(lián)組合有助于保護電源輸入電路的前端免受通過主交流電源和備用電池電路的瞬態(tài)的影響。

由于電源輸入為所有其它電路供電，因此可以考慮在電源輸入電路的后端使用瞬態(tài)電壓抑制 (TVS)二極管（如下圖所示）來保護這些電路免受瞬態(tài)和 ESD 的影響。

用于基站的 TVS 二極管示例。圖片由Littelfuse公司提供

TVS 二極管的鉗位電壓比 MOV 更低，并且可以在下游電路中啟用更低額定電壓的元件。

以太網(wǎng)電路

帶有撬棒保護組件的瞬態(tài)保護可以保護以太網(wǎng)通信端口的完整性。針對以太網(wǎng)供電 (PoE) 通信鏈路，請考慮使用保護晶閘管。另一種保護解決方案是使用 TVS 二極管陣列和氣體放電管。與保護晶閘管相比，TVS 二極管可以使用齊納二極管來鉗位瞬態(tài)，保護晶閘管則可以消除瞬態(tài)。

若要盡量減少對數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的影響，可以使用這些組件的低電容版本。

此外，如果協(xié)議是 PoE，那么會包括一個熔斷器，以保護以太網(wǎng)電路免受搭接線路導(dǎo)致的過載的影響。

數(shù)字信號處理器 (DSP)

數(shù)字信號處理器 (DSP)是基帶單元中的關(guān)鍵模塊，應(yīng)具有電壓瞬變保護。

HDMI電路

HDMI接口數(shù)據(jù)線應(yīng)該有ESD保護。

下圖的4 線 TVS 二極管陣列可吸收高達 20 kV 的 ESD 沖擊。

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用于 I/O 線路保護的 4 線 TVS 二極管陣列。圖片由Littelfuse公司提供

低于 50 nA的低泄漏電流和低于 0.5 pF 的電容的組件，可減少對高速 HDMI 傳輸?shù)母蓴_，這是非常重要的。

與基帶單元中的其它電路一樣，TVS 二極管將提供高達 30 kV 的單向或雙向 ESD 保護。

設(shè)計基站以實現(xiàn)最長正常運行時間

設(shè)計人員可以使用范圍廣泛的安全元件和多個版本的元件，通過與元件制造商的應(yīng)用工程師合作來指定所需的保護、控制和傳感元件，從而節(jié)省開發(fā)時間。此外，應(yīng)用工程師可以協(xié)助指導(dǎo)滿足基站的國家和國際標準。一些制造商還提供預(yù)符合性測試，以幫助設(shè)計人員符合標準。

最重要的是：保護基站設(shè)計免受過載電流和電壓瞬態(tài)危害對于確保制造商在快速增長的 5G 市場中提供高可靠性設(shè)備至關(guān)重要。

通信基礎(chǔ)設(shè)施必須具有極高的可靠性，才能使正常運行時間超過 99.9%。以上推薦的元件技術(shù)可以保護電路免受五種電氣危險源的影響，幫助提供無線通信基礎(chǔ)設(shè)施所需的高可靠性。