可实现高可靠性的5G宏基站设计

品慧电子讯在任何通信系统中，停机时间都是不可接受的，这当然包括新的5G手机通信系统。获得高可靠性通常需要5G宏基站对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）具有鲁棒性。

在本文中，请了解保护三大基站系统，即基带单元、电源和备用电池系统。

在任何通信系统中，停机时间都是不可接受的，这当然包括新的5G手机通信系统。获得高可靠性通常需要5G宏基站对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）具有鲁棒性。

除了电源线可能造成的损坏外，基站还必须可靠耐用，能够抵御闪电和静电放电（ESD）冲击等环境电气危害。设计工程师需要保护他们的5G基站免受这些电气危害，以防止损坏基站并避免严重的停机时间。

在上一篇文章中，我们讨论了5G宏基站的适当电路保护，包括浪涌保护器（SPD）、塔顶放大器和先进天线系统（AAS）中的推荐保护元件。

本文将重点介绍保护三大基站系统，即：

● 基带单元

● 电源

● 备用电池系统

我们还将致力于提出元件建议，以保护电路免受电气危害并最大限度地降低功耗，提高产品寿命和可靠性。

保护基带单元

基带单元处理来自呼叫和数据传输的数据，并在有线基础设施和AAS之间链接数据。此外，该设备对传输进行编码或对接收到的信号进行解码。注意基带单元有自己的电源，如图1所示。^

图1.基带单元框图。图片由Littelfuse公司提供

电源输入

在电源输入电路的输入端，一种解决方案是使用熔断器进行过电流保护。此外，对于这种直流电路，您还可以考虑使用快速熔断器。表面贴装快断型版本可用于节省空间的应用。

金属氧化物压敏电阻（MOV）和气体放电管串联组合还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（如图2所示）来保护这些电路免受瞬态和ESD的影响。

图2.用于基站的TVS二极管示例。图片由Littelfuse公司提供

TVS二极管具有比MOV更低的钳位电压，并且可以在下游电路中启用更低额定电压的元件。

以太网电路

当涉及到以太网电路时，带有撬棒保护元件的瞬态保护可以保护以太网通信端口的完整性。

如果正在使用以太网供电（PoE）通信链路，请考虑使用保护晶闸管。

另一种保护解决方案是使用TVS二极管阵列和气体放电管。与保护晶闸管相比，TVS二极管可以使用齐纳二极管来钳位瞬态，保护晶闸管则可以消除瞬态。

您可以寻找这些元件的低电容版本，以尽量减少对数据传输质量的影响。

此外，如果协议是PoE，那么会包括一个熔断器，以保护以太网电路免受连接到电路的搭接线路导致的过载的影响。

HDMI电路

对于HDMI电路，HDMI接口数据线应该有ESD保护。

可以考虑一个4线TVS二极管阵列（如图3所示），以吸收高达20kV的ESD冲击。

图3.用于I/O线路保护的4线TVS二极管阵列。图片由Littelfuse公司提供

寻找具有低于50nA的低泄漏电流和低于0.5pF的电容的元件以最大限度地减少对高速HDMI传输的干扰非常重要。

数字信号处理器（DSP）

要考虑的一个重要方面是基带单元中的关键模块，即DSP。该器件还应具有电压瞬变保护。

与基带单元中的其它电路一样，TVS二极管将提供高达30kV的单向或双向ESD保护。

保护电源和备用电池系统

总体而言，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。图4显示了电源和备用电池系统的电路块。

图4.电源和备用电池系统框图。图片由Littelfuse公司提供

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。由于它与交流线路连接，因此需要一整套过电流和过电压瞬态保护。

对于电流过载和短路保护，使用快速熔断器可以防止损坏电源中的功率半导体。使用这种方法，有必要确保所选熔断器具有额定电流，以避免由于电源的浪涌电流而造成的麻烦故障。

此外，熔断器的额定电压超过交流线路上的电压也很重要。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可以确保在电子柜上的门打开时电源断电。

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。

为了最大限度地提高开关电源的效率，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。

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。由于正向压降低，肖特基二极管有助于提高电源效率。

输出直流保护电路

为了帮助保护电源，一种方法是在输出直流保护电路中使用快速熔断器。该解决方案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

最后，备用电池是一种大功率电池组，可以在交流电源中断时支持基站。为了帮助保护此设备，考虑在电池电路上使用快速熔断器以提供过载保护非常重要。

此外，监测电池温升对于确保电池的安全性是必要的。为此，您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。

另一种解决方案可能是三端熔断器，它可用于检测过电压情况并充当熔断器，将模块与充电电压断开。该元件可以替代快速熔断器。

另一个可以作为备用电池电路中电池管理IC备用的元件是微型断路器，它可以是与聚合物正温度系数元件并联的开关。该元件为电池组提供过热和过流保护，并提供辅助保护元件，帮助防止电池组进入过充电状态或过放电状态。

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。

当备用电池电路使用I2C通信协议将电池组的状态从电量计IC传输到电池管理IC时，请考虑使用聚合物正温度系数元件在高压瞬态期间限制I2C线路上的电流。该系列元件可保护安全吸收I2C数据线上瞬变的过压组件。

设计基站以实现最长正常运行时间

总而言之，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%。推荐的元件技术可以通过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。

设计人员可以使用范围广泛的安全元件和多个版本的元件。设计人员可以通过与元件制造商的应用工程师合作来指定所需的保护、控制和传感元件，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。

最重要的是：保护基站设计免受过载电流和电压瞬态危害对于确保制造商在快速增长的5G市场中提供高可靠性设备至关重要。

（来源：EDN电子技术设计，作者：Todd Phillips，Littelfuse公司）

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