5G大型基地台保護設計實現高可靠性
作者 : Todd Phillips，Littelfuse電子業務部全球市場經理
本文介紹如何保護三項主要的基地台系統：基頻單元、電源和備用電池系統。
在任何通訊系統中，停機時間都是不可接受的，其中當然包括新的5G手機通訊系統在內。
要實現高可靠性通常需要5G大型基地台(macro base station)對電力線突波和電氣干擾具備強大抵抗力，例如雷電引起的瞬變以及其他瞬變和超載影響。
除了電源線可能造成的損壞外，基地台本身還必須可靠耐用，能抵禦雷擊和靜電放電(ESD)衝擊等環境電氣危害。設計工程師需要保護5G基地台免於受到這些電氣危害，以防止損壞基地台，並且避免嚴重的停機時間。
在上一篇文章中，我們討論了5G大型基地台的適當電路保護，包括突波保護器(SPD)、塔頂放大器和進階天線系統(AAS)中的推薦保護元件。
本文將重點介紹如何保護三項主要的大型基地台系統，包括：
- 基頻單元
- 電源
- 備用電池系統
本文還將推薦保護元件，以保護電路免於受到電氣危害，並且最大限度降低功耗，提高產品壽命和可靠性。
保護基頻單元
基頻單元處理來自呼叫和資料傳輸的資料，並在有線基礎設施和主動式天線系統(AAS)之間鏈結資料。此外，該設備對傳輸進行編碼或對接收到的訊號進行解碼。注意基頻單元有自己的電源，如圖1所示。
圖 1：基頻單元方塊圖。（圖片來源：Littelfuse）
電源輸入
在電源輸入電路的輸入端，一種解決方案是使用保險絲進行過電流保護。此外，對於這種直流(DC)電路，還可以考慮使用快速熔斷型保險絲。表面貼裝速效版本可用於節省空間的應用。
串聯的金屬氧化物壓敏電阻(MOV)和氣體放電管也有助於保護電源輸入電路的前端免於受到通過主交流(AC)電源、電源和備用電池電路的瞬態影響。
由於電源輸入為所有其他電路供電，因此可以考慮在電源輸入電路的後端使用瞬態電壓抑制(TVS)二極體(如圖 2 所示)來保護這些電路免於受到瞬態和ESD的影響。
圖 2：用於基地台的 TVS二極體示例。（圖片來源：Littelfuse）
TVS二極體具有比MOV更低的箝位電壓，並且可以在下游電路中啟用更低額定電壓的元件。
乙太網電路
當涉及到乙太網電路時，具有撬棍(crowbar)保護元件的瞬態保護性能可以確保乙太網通訊連接埠的完整性。
如果正在使用的是乙太網供電(PoE)通訊鏈路，可以考慮使用保護閘流體。
另一種保護解決方案是使用TVS二極體陣列和氣體放電管。保護閘流體則可以消除瞬態效應，TVS二極體則可以使用齊納二極體來箝制瞬態效應。
您可以尋找這些元件的低電容版本，以儘量減少對資料傳輸品質的影響。
此外，如果採用的是PoE協定，那麼會包含一個保險絲，以保護乙太網電路免受連接到電路的跨接線路導致的超載影響。
HDMI電路
對於HDMI電路，HDMI介面資料線應該有ESD保護。
可以考慮如圖3所示的4 線TVS二極體陣列，以吸收高達20kV ESD衝擊。
圖 3：用於 I/O線路保護的4線TVS二極體陣列。（圖片來源：Littelfuse）
可尋求具有低於50nA的低洩漏電流和低於0.5pF電容的元件，以最大限度地減少對高速HDMI傳輸的干擾，這是非常重要的。
數位訊號處理器
基頻單元中的一項關鍵模組，也就是數位訊號處理器(DSP)，是需要多加考慮的重點。DSP還應具有電壓瞬變保護。
與基頻單元中的其他電路相同，TVS二極體將可提供高達30kV的單向或雙向ESD保護。
保護電源和備用電池系統
總體而言，電源和備用電池系統提供AC線路電源和直流電池備用電源，當AC線路電源失效時，能夠確保基地台的持續供電。圖4顯示了電源和備用電池系統的電路方塊圖。
圖4：電源和備用電池系統方塊圖。（圖片來源：Littelfuse）
保護輸入保護、整流器和濾波電路
在大型基地台應用中，輸入保護、整流器和濾波器將AC輸入電源轉換為直流電源。由於它與AC線路連接，因此需要完整的過電流和過電壓的瞬態保護。
對於電流超載和短路保護，使用快速熔斷型保險絲可以防止損壞電源中的功率半導體。要使用這種方法，就必須確保所選的保險絲具有額定電流，以避免由於電源的突波電流而造成的麻煩故障。
此外，保險絲的額定電壓超過AC線路上的電壓也很重要。其他的電源電路可以在輸入線路上加入一個 MOV氣體放電管，以吸收和保護電路免於受到AC線路感應電壓瞬變的影響。還建議在電路中使用TVS二極體，以提高對瞬態突波的抗擾度並提高長期可靠性。
最後，在電路中添加一個磁感測器，可以確保在電子櫃門打開時切斷電源。
高頻轉換器和箝位電路
高頻轉換器和箝位器將整流後的AC線電壓轉換為kHz頻率範圍內的脈衝波形。
TVS二極體可用於吸收任何設法通過輸入電路的瞬變並保護下游電路。
為了最大限度提高開關電源的效率，可以使用具有低Rds (on)和高dv/dt的MOSFET來降低通態功耗和開關功率損耗。
輸出整流濾波電路
輸出整流和濾波器將脈衝電壓轉換回直流電壓。一個解決方案是使用具有超低正向電壓的蕭特基二極體整流器來減少電路中的損耗。由於正向電壓降低，蕭特基二極體有助於提高電源效率。
輸出DC保護電路
在輸出直流(DC)保護電路中使用快速熔斷型保險絲是一個有助於保護電源的方法，可以保護電源免於受到負載時的任何超載故障，包括AAS和基頻單元在內。
備用電池
最後，備用電池是一個大功率電池組，可以在AC電源中斷時支援基地台。為了幫助保護這項設備，在電池電路上考慮使用快速熔斷型保險絲以提供超載保護，將是非常重要的。
此外，監測電池的溫度升高情況是確保電池安全性的必要方法，您可以使用放置在電池組模組上的表面貼裝型熱敏電阻。這個方法還有助於保護電池組模組免於過度充電。
另一種解決方案是三端保險絲，它可用於檢測過電壓情況並充當保險絲，將模組與充電電壓斷開。三端保險絲可以取代快速熔斷型保險絲。
微型斷路器是另一個可以作為備用電池電路中電池管理 IC 的備用元件，它可以作為與聚合物正溫度係數元件並聯的開關。微型斷路器可為電池組提供過熱保護和過電流保護，並提供輔助保護元件，幫助防止電池組進入過充電或過放電狀態。
總體而言，備用電池電路中的電池管理系統(BMS)具有連接到每個電池組的單個電池電壓檢測線，這些感應線容易受到ESD和其他電壓瞬變的影響。建議使用由一個封裝組成的TVS二極體陣列，其中兩個TVS二極體在檢測線上以陽極到陽極的方式連接，以實現雙極瞬態保護。
當備用電池電路使用I2C通訊協定將電池組的狀態從電量計IC傳輸到電池管理IC 時，請考慮使用聚合物正溫度係數元件在高壓瞬態期間限制I2C線路上的電流。該系列元件可保護安全吸收I2C資料線上瞬變的過電壓元件。
設計基地台以實現最長運行時間
總而言之，通訊基礎設施必須具有極高的可靠性，才能使正常執行時間超過99.9%。我們推薦的元件技術可以通過保護電路免於受到五種電氣危險源的影響，提供無線通訊基礎設施所需的高可靠性。
設計人員可以使用範圍廣泛的安全元件和多個版本的元件，並且可以通過與元件製造商的應用工程師合作來指定所需的保護、控制和感測元件，從而節省開發時間。此外，應用工程師可以協助指導符合基地台的國家和國際標準。一些製造商還提供先期一致性(pre-compliance)測試，以幫助設計人員符合各項標準。
最重要的是：保護基地台的設計免於受到超載電流和電壓瞬態的危害，這對於確保製造商要在快速成長的5G市場中供應高可靠性設備上十分重要。
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