可實現(xiàn)高可靠性的5G宏基站設計

在本文中，請了解保護三大基站系統(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，停機時間都是不可接受的，這當然包括新的5G手機通信系統(tǒng)。獲得高可靠性通常需要5G宏基站對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）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。設計工程師需要保護他們的5G基站免受這些電氣危害，以防止損壞基站并避免嚴重的停機時間。在上一篇文章中，我們討論了5G宏基站的適當電路保護，包括浪涌保護器（SPD）、塔頂放大器和先進天線系統(tǒng)（AAS）中的推薦保護元件。本文將重點介紹保護三大基站系統(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。保護基帶單元基帶單元處理來自呼叫和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并在有線基礎設施和AAS之間鏈接數(shù)據(jù)。此外，該設備對傳輸進行編碼或?qū)邮盏降男盘栠M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行過電流保護。此外，對于這種直流電路，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（如圖2所示）來保護這些電路免受瞬態(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)電路當涉及到以太網(wǎng)電路時，帶有撬棒保護元件的瞬態(tài)保護可以保護以太網(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)。您可以尋找這些元件的低電容版本，以盡量減少對數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的影響。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)電路免受連接到電路的搭接線路導致的過載的影響。HDMI電路對于HDMI電路，HDMI接口數(shù)據(jù)線應該有ESD保護?？梢钥紤]一個4線TVS二極管陣列（如圖3所示），以吸收高達20kV的ESD沖擊。圖3.用于I/O線路保護的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高速HDMI傳輸?shù)母蓴_非常重要。數(shù)字信號處理器（DSP）要考慮的一個重要方面是基帶單元中的關(guān)鍵模塊，即DSP。該器件還應具有電壓瞬變保護。與基帶單元中的其它電路一樣，TVS二極管將提供高達30kV的單向或雙向ESD保護。保護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。保護輸入保護、整流器和濾波電路在宏基站應用中，輸入保護、整流器和濾波器將交流輸入轉(zhuǎn)換為直流。由于它與交流線路連接，因此需要一整套過電流和過電壓瞬態(tài)保護。對于電流過載和短路保護，使用快速熔斷器可以防止損壞電源中的功率半導體。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MOV和氣體放電管，以吸收和保護電路免受交流線路感應電壓瞬變的影響。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可以確保在電子柜上的門打開時電源斷電。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法通過輸入電路的瞬變并保護下游電路。為了最大限度地提高開關(guān)電源的效率，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。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。由于正向壓降低，肖特基二極管有助于提高電源效率。輸出直流保護電路為了幫助保護電源，一種方法是在輸出直流保護電路中使用快速熔斷器。該解決方案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支持基站。為了幫助保護此設備，考慮在電池電路上使用快速熔斷器以提供過載保護非常重要。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。另一種解決方案可能是三端熔斷器，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。該元件可以替代快速熔斷器。另一個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)的開關(guān)。該元件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)?？傮w而言，備用電池電路中的電池管理系統(tǒng)（BMS）具有連接到每個電池組的單個電池的電壓檢測線。這些感應線容易受到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I2C通信協(xié)議將電池組的狀態(tài)從電量計IC傳輸?shù)诫姵毓芾鞩C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I2C線路上的電流。該系列元件可保護安全吸收I2C數(shù)據(jù)線上瞬變的過壓組件。設計基站以實現(xiàn)最長正常運行時間總而言之，通信基礎設施必須具有極高的可靠性，才能使正常運行時間超過99.9%。推薦的元件技術(shù)可以通過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設施所需的高可靠性。設計人員可以使用范圍廣泛的安全元件和多個版本的元件。設計人員可以通過與元件制造商的應用工程師合作