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作者：Todd Phillips，Littelfuse公司
包括新的 5G手机通信系统在内，任何通信系统都十分重视可靠性，必须把停机时间减至最少。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。
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。工程师在设计时，便需要保护他们的 5G 基站免受这些电气危害，以防止损坏基站并避免停机时间。
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。我们在设计的时候，便要确保这三大系统得到足够保护。
保护电源和备用电池系统
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。图片由Littelfuse公司提供
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。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故障。熔断器的额定电压也要超过交流线路上的电压。
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
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，在电池电路上使用快速熔断器以提供过载保护。
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。
三端熔断器可以替代快速熔断器，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。
微型断路器为电池组提供过热和过流保护，并提供辅助保护元件，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 备用的元件，它可以是与聚合物正温度系数元件并联的开关。。
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 I 2 C 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 I 2 C 线路上的电流。该系列元件可保护安全吸收 I 2 C 数据线上瞬变的过压组件。
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。如下图所示。^
基带单元框图。图片由Littelfuse公司提供
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。表面贴装快断型版本可节省空间。
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。
用于基站的 TVS 二极管示例。图片由Littelfuse公司提供
TVS 二极管的钳位电压比 MOV 更低，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
带有撬棒保护组件的瞬态保护可以保护以太网通信端口的完整性。针对以太网供电 (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。
若要尽量减少对数据传输质量的影响，可以使用这些组件的低电容版本。
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搭接线路导致的过载的影响。
数字信号处理器 (DSP)是基带单元中的关键模块，应具有电压瞬变保护。
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。图片由Littelfuse公司提供
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元件和多个版本的元件，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。
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%。以上推荐的元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。
