[技术文章] 精心设计以实现高可靠性来保护5G 宏基站

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技术文章

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作者：Littelfuse公司Todd Phillips

任何通信系统都十分重视可靠性，获得高可靠性的首要条件，就是需要 5G 宏基站能够抵御电力线浪涌和电气干扰，例如雷电引起的瞬变和其它瞬变和过载，以及闪电和静电放电(ESD) 冲击等环境电气危害。电源线以外的三大基站系统，即电源、备用电池系统和基带单元，就是需要保护的重点。

保护电源系统

电源和备用电池系统提供交流线路电源和直流电池备用电源，以确保在禁用交流线路电源时基站保持供电。下图显示了电源和备用电池系统的电路块。

电源和备用电池系统框图

保护输入保护、整流器和滤波电路

在宏基站应用中，输入保护、整流器和滤波器将交流输入转换为直流。由于与交流线路连接，因此需要一整套过电流和过电压瞬态保护。

快速熔断器可以防止损坏电源中的功率半导体，提供电流过载和短路保护。其它电源电路可以在输入线路上加入一个 MOV 和气体放电管，以吸收和保护电路免受交流线路感应电压瞬变的影响。还建议在电路中使用 TVS 二极管，以提高对瞬态浪涌的抗扰度并提高长期可靠性。最后，在电路中添加一个磁传感器以确保电子柜门打开时断开电源。

高频转换器和钳位电路

高频转换器和钳位器将整流后的交流线电压转换为 kHz 频率范围内的脉冲波形。TVS 二极管可用于吸收任何设法通过输入电路的瞬变并保护下游电路。可以使用具有低Rds (on) 和高 dv/dt 的 MOSFET 来降低通态功耗和开关功率损耗，以提高开关电源的效率。

输出整流滤波电路

输出整流和滤波器将脉冲电压转换回直流电压。一种解决方案是使用具有超低正向电压的肖特基二极管整流器来减少电路中的损耗。肖特基二极管的正向压降低，有助于提高电源效率。

输出直流保护电路

在输出直流保护电路中使用快速熔断器可以保护电源免受负载中的任何过载故障，包括 AAS 和基带单元。

备用电池

在电池电路上使用快速熔断器以提供过载保护。监测电池温升对于确保电池的安全性是必要的。可以使用放置在电池组模块上的表面贴装热敏电阻。这种方法还可以帮助保护电池组模块免于过度充电。微型断路器为电池组提供过热和过流保护，并提供辅助保护组件，帮助防止电池组进入过充电状态或过放电状态，可以作为备用电池电路中电池管理 IC 备用的组件。

总体而言，备用电池电路中的电池管理系统 (BMS) 具有连接到每个电池组的单个电池的电压检测线。这些感应线容易受到 ESD 和其它电压瞬变的影响。建议使用由一个封装组成的 TVS 二极管阵列，其中两个 TVS 二极管在检测线上以阳极到阳极的方式连接，以实现双极瞬态保护。

保护基带单元

基带单元有自己的电源，处理来自呼叫和数据传输的数据，对传输进行编码或对接收到的信号进行解码，并在有线基础设施和 AAS 之间链接数据。

基带单元框图

基带单元的电源输入

可以使用熔断器在电源输入电路的输入端进行过电流保护。对于直流电路还可以考虑使用快速熔断器。金属氧化物压敏电阻 (MOV) 和气体放电管串联组合有助于保护电源输入电路的前端免受通过主交流电源和备用电池电路的瞬态的影响。由于电源输入为所有其它电路供电，因此可以考虑在电源输入电路的后端使用瞬态电压抑制 (TVS)二极管（如下图所示）来保护这些电路免受瞬态和 ESD 的影响。

HDMI电路

HDMI接口数据线应该有ESD保护。

下图的4 线 TVS 二极管阵列可吸收高达 20 kV 的 ESD 冲击。

用于 I/O 线路保护的 4 线 TVS 二极管阵列

低于 50 nA的低泄漏电流和低于 0.5 pF 的电容的组件，可减少对高速 HDMI 传输的干扰，这是非常重要的。与基带单元中的其它电路一样，TVS 二极管将提供高达 30 kV 的单向或双向 ESD 保护。

设计基站以实现最长正常运行时间

设计人员可以使用范围广泛的安全组件和多个版本的组件，通过与组件制造商的应用工程师合作来指定所需的保护、控制和传感组件，从而节省开发时间。此外，应用工程师可以协助指导满足基站的国家和国际标准。一些制造商还提供预符合性测试，以帮助设计人员符合标准。

通信基础设施必须具有极高的可靠性，才能使正常运行时间超过 99.9%。以上推荐的组件技术可以保护电路免受五种电气危险源的影响，帮助提供无线通信基础设施所需的高可靠性。

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