Bourns – надежное решение для защиты блоков питания базовых станций

5 октября

телекоммуникациисистемы безопасностисветотехникаBournsстатьядискретные полупроводникипассивные ЭК и электромеханикаAC-DCпредохранителиваристорыGMOVгазоразрядникиTVS-диодыPTVSFUSE

Константин Кузьминов (г. Заполярный)

Телекоммуникационные базовые станции часто подвергаются ударам молний и выходят из строя из-за короткого замыкания. Компания Bourns предлагает решение, позволяющее обеспечить надежную защиту от перенапряжения и перегрузки по току с помощью GMOV™, PTVS-диодов PTVS1-380CTH и плавких предохранителей SF-3812FT.

Телекоммуникационные базовые станции конструктивно состоят из блока обработки базовых частот (BaseBand Unit, BBU) и радиоузла (Radio Frequency Unit, RRU). BBU обрабатывает основную полосу частот и передает результат по оптоволокну в RRU, установленный возле антенн. Поскольку BBU должен находиться в непосредственной близости от радиомачты, он может располагаться не в здании, а в относительно незащищенном месте, например в уличном шкафу (рисунок 1). Обычно питание BBU осуществляется от сети переменного тока.

Расположенные на открытом воздухе силовые кабели BBU более подвержены воздействию молний и скачков напряжения. Прямой или индуцированный выброс от удара молнии может вызвать большой импульс тока в линиях питания беспроводной базовой станции.

Базовые станции спроектированы и рассчитаны на режим работы 24/7 и имеют собственные источники резервного питания. Однако сильный скачок напряжения на линиях электропитания может привести к длительному отключению и даже необратимому повреждению BBU. Поэтому крайне важно, чтобы любые линии питания, входящие в шкаф BBU или выходящие из него, были обеспечены защитой.

Рис. 1. Пример базовой станции беспроводной связи

Рис. 1. Пример базовой станции беспроводной связи

Стандартная защита от скачков напряжения

BBU преимущественно получают питание от переменного тока сети 220 В AC, а не от постоянного. Помимо опасности удара молнии, энергосистема BBU может подвергаться воздействию потенциально опасных уровней напряжения от электростанций и прочих объектов. Таким образом, защита от вредных скачков напряжения должна рассматриваться для всего проекта.

Наиболее распространенным компонентом для защиты от перенапряжения на первичной стороне источника питания переменного тока являются MOV – металл-оксидные варисторы (рисунок 2).

Рис. 2. Стандартная схема защиты

Рис. 2. Стандартная схема защиты

MOV экономичны, имеют малое время реакции, высокую нагрузочную способность, но обеспечиваемая ими защита от скачков напряжения может оказаться недолговременной. Два фактора могут сделать их неоптимальными средствами защиты в таких приложениях, как BBU, где высокая надежность является обязательной:

  • старение, увеличивающее ток утечки, что в свою очередь вызывает нагрев варистора;
  • быстрая деградация после нескольких сильных скачков напряжения.

Задача состоит в том, как преодолеть два ключевых недостатка MOV, не делая компонент защиты громоздким и дорогостоящим.

Решение от Bourns

Компания Bourns разработала гибридное решение, названное GMOV™ (таблица 1). Этот компонент не имеет указанных выше недостатков варистора, но при этом остается рентабельным и сохраняет тот же размер корпуса, что и у эквивалентного по номиналу MOV.

Таблица 1. Сравнение GMOV™ от BOURNS со стандартными варисторами

Технология Напряжение отсечки, В Ток утечки Старение Реакция на 30% превышение напряжения
250 V MOV 650 Наименее эффективен Наименее эффективен Возможно возгорание
350 V MOV 925 Хорошо Хорошо Увеличивается ток утечки
250 V MOV + TF 650 Наименее эффективен Наименее эффективен Возможно возгорание
GDT + MOV ~620 Отлично Отлично Отлично

В таблице 1 сравниваются несколько различных вариантов защиты, доступных для некоего гипотетического оборудования, рассчитанного на напряжение питания 230 В AC.

Стандартное решение MOV на 250 В обеспечивает наименее эффективную общую производительность при сравнении напряжения отсечки, тока утечки, характеристик старения и реакции на превышения напряжения.

Второй вариант решает эти проблемы методом использования MOV на более высокое напряжение 350 В. Тем не менее, перенапряжение может привести к избыточной утечке и некоторому повреждению MOV. Существенным недостатком этого решения является более высокое напряжение отсечки.

Третий вариант – использование термозащищенного компонента MOV со встроенным термически активируемым предохранителем (TF), который отключает MOV от линии переменного тока во время перегрева. Этот вариант предполагает, что такой варистор выйдет из строя в более безопасном режиме, чем варистор в стандартном исполнении.

В отличие от первых трех вариантов GMOV™ производства компании Bourns® обеспечивает аналогичное напряжение отсечки, как и MOV с номинальным напряжением 250 В, при этом остальные параметры лучше чем у варианта с MOV на 350 В.

Конструкция GMOV (рисунок 3) представляет собой последовательное включение варистора и газоразрядника (GDT). В нормальных условиях эксплуатации в газоразряднике нет пробоя. Это отключает варистор от линии переменного тока и защищает его от небольших переходных процессов, которые не представляют угрозы для защищаемого оборудования и в обычном варианте послужили бы только старению варистора. Во время скачка напряжения GDT быстро (менее чем за микросекунду) включается и подключает MOV, чтобы ограничить импульсное напряжение до приемлемого уровня. После того как импульс перенапряжения завершился, напряжение через варистор уменьшается, прекращая разряд в GDT, что в свою очередь отключает MOV от линии, как и до этого. Функциональность устройства GMOV™ представляет собой особую симбиотическую взаимосвязь, при которой GDT и MOV работают вместе, обеспечивая длительный полезный срок службы защиты.

Рис. 3. Гибридный защитный компонент GMOV™

Рис. 3. Гибридный защитный компонент GMOV™

Объединение GDT с MOV не влияет на сигнал или работу системы. Низкая емкость GDT гарантирует, что устройство GMOV™ не будет мешать высокоскоростной передаче данных по линиям питания переменного или постоянного тока.

Защита от перенапряжения (OVP)

GMOV™ подходит для использования на первичной или вторичной стороне линии питания переменного тока и представлен двумя семействами (таблица 2).

Таблица 2. семейство продуктов GMOV

Наименование Размер, мм Диапазон, Vrms Ток утечки, мкА Максимальная емкость, пФ Imax 8/20 мкс, кА Ring Wave 200 A
GMOV14 14 45…320 <0,1 4 6 ±250 operations
GMOV20 20 45…320 <0,1 4 10 ±250 operations

Преимущества GMOV™:

  • низкий ток утечки в течение всего срока службы (<0,1 мкА), обеспечивающий более длительное время безотказной работы;
  • повышенная живучесть после многократных скачков напряжения;
  • предсказуемое отключение системы при использовании вместе с предохранителем.

Для защиты от скачков напряжения на первом этапе, модель GMOV20 устанавливается на L-N, L-E и N-E как для общего, так и для дифференциального режимов защиты. Низкие значения тока утечки и емкости компонента GMOV™ минимизируют потери мощности. Модель GMOV14 может являться вторым этапом защиты, дополнительно подавляя остаточный выброс до более низкого напряжения.

Второй составляющей защиты от перенапряжения, обеспечивающей безопасность непосредственно вход модуля блока питания AC/DC, может являться мощный защитный диод (Power TVS, PTVS), обеспечивающий более точную и низкую отсечку по напряжению (рисунок 4). Компания Bourns предлагает широкий ассортимент силовых двунаправленных PTVS-диодов 1…15 кА с различными вариантами корпусов для защиты BBU и RRU по переменному и постоянному токам. PTVS обеспечивает малое напряжение ограничения (520 В при токе 1 кА, 8/20 мкс) и соответствует требованиям IEC 61000-4-5, уровень 4 (таблица 3).

Рис. 4. Защитный диод PTVS15 производства Bourns

Рис. 4. Защитный диод PTVS15 производства Bourns

Таблица 3. Семейство защитных диодов PTVS

Семейство PTVS1 PTVS3 PTVS6 PTVS10 PTVS15
Наименование PTVS1-xxxC-TH PTVS3-xxxC-TH PTVS6-xxxC-TH PTVS10-xxxC-TH PTVS15-xxxC-TH
Серия TH Series TH Series
SH Series
M Series
TH Series
SH Series
M Series
TH Series
SH Series
M Series
TH Series
SH Series
Пиковый имп. ток при 8/20 мкс, кА 1 3 6 10 15
Рабочее пиковое обратное напряжение, В 380 15/58/76; 380/430; 66/76 58/76; 380/430; 58/76 58/76; 170/320/430/470; 66/76/86 58/76; 58/76

Защита от перегрузки по току (OVС)

Следующий этап защиты – защита от перегрузки по току. Для этой цели компания Bourns предлагает керамические SMD-предохранители SinglFuse™ серии SF-3812F-T, обеспечивающие отказоустойчивую максимальную токовую защиту в случае короткого замыкания в любой части схемы (рисунок 5, таблица 4). Эти компоненты представляют собой одноразовые предохранители, рассчитанные на выдержку до определенного уровня перенапряжения без срабатывания.

Рис. 5. Предохранитель SF-3812F-T

Рис. 5. Предохранитель SF-3812F-T

Особенности предохранителей SF-3812F-T:

  • конструкция в виде плавкой вставки в керамическом корпусе в воздушной среде;
  • позолоченные латунные контакты;
  • посадочное место SMD типоразмера EIA 3812;
  • рабочее напряжение 600 В AC с токами 0,5, 1,25 и 2 A;
  • отключающая способность 60 A @600 В AC;
  • рабочий температурный диапазон -55…125°C;
  • упаковка в катушках и лентах для автоматического монтажа;
  • соответствие Telcordia GR-1089-CORE и UL 60950;
  • соответствие стандартам UL 248-14 и RoHS;
  • отсутствие галогенов.

Таблица 4. Керамические предохранителиSinglFuse™ SMD исполнения.

Наименование Тип предохранителя Ток, А Напряжение, В AC Рабочая температура, °C
SF-2410FP-T Fast Acting Precision 0,062…10 125 -55…125
SF-3812F-T Fast Acting 10…60 250 -55…125
SF-2923HC-C High Current 20…50 60 -55…125

На рисунке 6 представлена схема защиты источника питания для BBU с учетом применения вышеописанных компонентов.

Рис. 6. Схема защиты линий электропитания BBU

Рис. 6. Схема защиты линий электропитания BBU

Схема защиты, показанная на рисунке 6, может помочь защищаемому устройству выдержать уровень скачка высокого напряжения 8/20 мкс, 5 кА как в синфазном, так и в дифференциальном режимах, что является обычным для конструкций сотовых ячеек или BBU. Эти конструкции могут питаться от входного переменного тока напряжением 230 В AC, которое из-за выбросов переменного тока от электростанции может увеличиваться до 280 В AC среднеквадратичного значения.

Модуль блока питания, отвечающий за преобразование 230 В переменного тока в постоянный напряжением 48 В, не всегда является устойчивым к сильному скачку энергии. Вход блока питания обычно может выдерживать входное напряжения в пределах около 800 В, скачки напряжения выше этого уровня могут повредить модуль.

Рекомендуемые компоненты Bourns для схемы защиты линий электропитания BBU:

  • GMOV™ Hybrid Protection Components: GMOV14D-321K, GMOV20D-321K;
  • Power TVS Diode for AC: PTVS1-380C-TH;
  • SinglFuse™ SMD Fuse: SF-3812F-T series.

Литература

  1. Bourns® GMOV™ Components New Product Brief
  2. Bourns® GMOV™ Components White Paper
  3. Surface Mount Power TVS Diodes Deliver Optimal Protection for Power Supplies Application Note
  4. Bourns® SinglFuse™ Products Technical Library
•••

Наши информационные каналы

О компании Bourns

Компания была основана супругами Marlan и Rosemary Bourns в 1947 году и начала свою деятельность в их маленьком гараже в Калифорнии, США. Изобретение одного из первых в мире миниатюрных потенциометров было стимулом к превращению их крошечного бизнеса в глобальную корпорацию, производящую целый спектр продуктов, которые влияют почти на каждый аспект современной электронной промышленности. В 1952 году Bourns запатентовал первый в мире подстроечный потенциометр под торговой маркой Trimpot®. ...читать далее

Товары
Наименование
SF-3812F1000T-2 (BOURNS)
SF-3812F1500T-2 (BOURNS)
SF-3812F2000T-2 (BOURNS)
GMOV-20D271K (BOURNS)
GMOV-20D301K (BOURNS)
GMOV-20D321K (BOURNS)
GMOV-14D271K (BOURNS)
GMOV-14D301K (BOURNS)
GMOV-14D321K (BOURNS)
PTVS1-380C-TH (BOURNS)