可實(shí)現(xiàn)高可靠性的5G宏基站設(shè)計(jì)

在本文中，請(qǐng)了解保護(hù)三大基站系統(tǒng)，即基帶單元、電源和備用電池系統(tǒng)。在任何通信系統(tǒng)中，停機(jī)時(shí)間都是不可接受的，這當(dāng)然包括新的5G手機(jī)通信系統(tǒng)。獲得高可靠性通常需要5G宏基站對(duì)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(guò)載）具有魯棒性。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。設(shè)計(jì)工程師需要保護(hù)他們的5G基站免受這些電氣危害，以防止損壞基站并避免嚴(yán)重的停機(jī)時(shí)間。在上一篇文章中，我們討論了5G宏基站的適當(dāng)電路保護(hù)，包括浪涌保護(hù)器（SPD）、塔頂放大器和先進(jìn)天線系統(tǒng)（AAS）中的推薦保護(hù)元件。本文將重點(diǎn)介紹保護(hù)三大基站系統(tǒng)，即：基帶單元電源備用電池系統(tǒng)我們還將致力于提出元件建議，以保護(hù)電路免受電氣危害并最大限度地降低功耗，提高產(chǎn)品壽命和可靠性。保護(hù)基帶單元基帶單元處理來(lái)自呼叫和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并在有線基礎(chǔ)設(shè)施和AAS之間鏈接數(shù)據(jù)。此外，該設(shè)備對(duì)傳輸進(jìn)行編碼或?qū)邮盏降男盘?hào)進(jìn)行解碼。注意基帶單元有自己的電源，如圖1所示。圖1.基帶單元框圖。電源輸入在電源輸入電路的輸入端，一種解決方案是使用熔斷器進(jìn)行過(guò)電流保護(hù)。此外，對(duì)于這種直流電路，您還可以考慮使用快速熔斷器。表面貼裝快斷型版本可用于節(jié)省空間的應(yīng)用。金屬氧化物壓敏電阻（MOV）和氣體放電管串聯(lián)組合還有助于保護(hù)電源輸入電路的前端免受通過(guò)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（如圖2所示）來(lái)保護(hù)這些電路免受瞬態(tài)和ESD的影響。圖2.用于基站的TVS二極管示例。TVS二極管具有比MOV更低的鉗位電壓，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)電路當(dāng)涉及到以太網(wǎng)電路時(shí)，帶有撬棒保護(hù)元件的瞬態(tài)保護(hù)可以保護(hù)以太網(wǎng)通信端口的完整性。如果正在使用以太網(wǎng)供電（PoE）通信鏈路，請(qǐng)考慮使用保護(hù)晶閘管。另一種保護(hù)解決方案是使用TVS二極管陣列和氣體放電管。與保護(hù)晶閘管相比，TVS二極管可以使用齊納二極管來(lái)鉗位瞬態(tài)，保護(hù)晶閘管則可以消除瞬態(tài)。您可以尋找這些元件的低電容版本，以盡量減少對(duì)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的影響。此外，如果協(xié)議是PoE，那么會(huì)包括一個(gè)熔斷器，以保護(hù)以太網(wǎng)電路免受連接到電路的搭接線路導(dǎo)致的過(guò)載的影響。HDMI電路對(duì)于HDMI電路，HDMI接口數(shù)據(jù)線應(yīng)該有ESD保護(hù)?？梢钥紤]一個(gè)4線TVS二極管陣列（如圖3所示），以吸收高達(dá)20kV的ESD沖擊。圖3.用于I/O線路保護(hù)的4線TVS二極管陣列。尋找具有低于50nA的低泄漏電流和低于0.5pF的電容的元件以最大限度地減少對(duì)高速HDMI傳輸?shù)母蓴_非常重要。數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）要考慮的一個(gè)重要方面是基帶單元中的關(guān)鍵模塊，即DSP。該器件還應(yīng)具有電壓瞬變保護(hù)。與基帶單元中的其它電路一樣，TVS二極管將提供高達(dá)30kV的單向或雙向ESD保護(hù)。保護(hù)電源和備用電池系統(tǒng)總體而言，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(shí)基站保持供電。圖4顯示了電源和備用電池系統(tǒng)的電路塊。圖4.電源和備用電池系統(tǒng)框圖。保護(hù)輸入保護(hù)、整流器和濾波電路在宏基站應(yīng)用中，輸入保護(hù)、整流器和濾波器將交流輸入轉(zhuǎn)換為直流。由于它與交流線路連接，因此需要一整套過(guò)電流和過(guò)電壓瞬態(tài)保護(hù)。對(duì)于電流過(guò)載和短路保護(hù)，使用快速熔斷器可以防止損壞電源中的功率半導(dǎo)體。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麻煩故障。此外，熔斷器的額定電壓超過(guò)交流線路上的電壓也很重要。其它電源電路可以在輸入線路上加入一個(gè)MOV和氣體放電管，以吸收和保護(hù)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(duì)瞬態(tài)浪涌的抗擾度并提高長(zhǎng)期可靠性。最后，在電路中添加一個(gè)磁傳感器可以確保在電子柜上的門打開(kāi)時(shí)電源斷電。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(guò)輸入電路的瞬變并保護(hù)下游電路。為了最大限度地提高開(kāi)關(guān)電源的效率，可以使用具有低Rds（on）和高dv/dt的MOSFET來(lái)降低通態(tài)功耗和開(kāi)關(guān)功率損耗。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(lái)減少電路中的損耗。由于正向壓降低，肖特基二極管有助于提高電源效率。輸出直流保護(hù)電路為了幫助保護(hù)電源，一種方法是在輸出直流保護(hù)電路中使用快速熔斷器。該解決方案可以保護(hù)電源免受負(fù)載中的任何過(guò)載故障，包括AAS和基帶單元。備用電池最后，備用電池是一種大功率電池組，可以在交流電源中斷時(shí)支持基站。為了幫助保護(hù)此設(shè)備，考慮在電池電路上使用快速熔斷器以提供過(guò)載保護(hù)非常重要。此外，監(jiān)測(cè)電池溫升對(duì)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(hù)電池組模塊免于過(guò)度充電。另一種解決方案可能是三端熔斷器，它可用于檢測(cè)過(guò)電壓情況并充當(dāng)熔斷器，將模塊與充電電壓斷開(kāi)。該元件可以替代快速熔斷器。另一個(gè)可以作為備用電池電路中電池管理IC備用的元件是微型斷路器，它可以是與聚合物正溫度系數(shù)元件并聯(lián)的開(kāi)關(guān)。該元件為電池組提供過(guò)熱和過(guò)流保護(hù)，并提供輔助保護(hù)元件，幫助防止電池組進(jìn)入過(guò)充電狀態(tài)或過(guò)放電狀態(tài)?？傮w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(gè)電池組的單個(gè)電池的電壓檢測(cè)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(gè)封裝組成的TVS二極管陣列，其中兩個(gè)TVS二極管在檢測(cè)線上以陽(yáng)極到陽(yáng)極的方式連接，以實(shí)現(xiàn)雙極瞬態(tài)保護(hù)。當(dāng)備用電池電路使用I2C通信協(xié)議將電池組的狀態(tài)從電量計(jì)IC傳輸?shù)诫姵毓芾鞩C時(shí)，請(qǐng)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I2C線路上的電流。該系列元件可保護(hù)安全吸收I2C數(shù)據(jù)線上瞬變的過(guò)壓組件。設(shè)計(jì)基站以實(shí)現(xiàn)最長(zhǎng)正常運(yùn)行時(shí)間總而言之，通信基礎(chǔ)設(shè)施必須具有極高的可靠性，才能使正常運(yùn)行時(shí)間超過(guò)99.9%。推薦的元件技術(shù)可以通過(guò)保護(hù)電路免受五種電氣危險(xiǎn)源的影響，幫助提供無(wú)線通信基礎(chǔ)設(shè)施所需的高可靠性。設(shè)計(jì)人員可以使用范圍廣泛的安全元件和多個(gè)版本的元件。設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)與元件制造商的應(yīng)用工程師合作