Come usare diodi e MOSFET per costruire circuiti di protezione della comunicazione?

一, Principio tecnico: dalle caratteristiche dei componenti alla protezione a livello di sistema
1. Meccanismo di protezione dei diodi
Il diodo di soppressione transitoria TVS raggiunge la risposta a livello di nanosecondi attraverso l'effetto di rottura delle valanghe e i suoi parametri di base includono:
Tensione di rottura (VBR): determina la soglia di protezione, Specifiche 5 V, 12 V, 24 V per apparecchiature di comunicazione
Voltaggio per clump (VC): riflette la capacità di protezione della sovratensione, alti - I dispositivi di qualità possono raggiungere VC/VBR<1.3
Peak Pulse Current (IPP): caratterizza la resistenza alla sovratensione e le applicazioni del data center devono raggiungere decine di livelli di chiloampere
In un test condotto da un operatore provinciale, un modulo di alimentazione della stazione base 5G che utilizzava diodi TVS bidirezionali ha resistito con successo all'impatto di aumento di 10kV in una forma d'onda di 8/20 μ S, con una riduzione del 92% del tasso di errore.
I diodi Schottky si comportano bene nei circuiti anti-retro a causa della loro bassa caduta di tensione in avanti di 0,1-0,3 V. Dopo aver adottato array di diodi Schottky in un determinato data center, il consumo di energia del sistema di alimentazione a 24 V è diminuito da 14W a 0,8 W e il risparmio di energia annuale ha raggiunto 2100 kWh.
2. Caratteristiche di commutazione dei transistor MOS
Il transistor NMOS presenta vantaggi unici nel circuito anti -retro:
Conduction condition: Vgs>VTH (tensione di soglia), valore tipico 1-4v
Su resistenza (RDS (ON)): la tecnologia moderna ha raggiunto il livello milliohm, con un consumo di energia di soli 0,8 W a 20A corrente
Velocità di commutazione: risposta a livello di nanosecondi, di gran lunga superiore ai relè tradizionali
I dati di test effettivi di un determinato produttore di apparecchiature di comunicazione mostrano che dopo aver utilizzato il circuito NMOS Anti Reverse, il tempo di avvio del dispositivo è stato ridotto da 50 ms a 2 ms, soddisfacendo i requisiti di commutazione a livello di millisecondi delle stazioni base 5G.
Sebbene i transistor PMOS siano meno comunemente usati a causa della loro alta resistenza, hanno ancora valore in scenari di guida di fine -. Un determinato modulo ottico adotta PMO per ottenere una protezione di potenza -48 V, controllando con successo la corrente di perdita inversa inferiore a 0,1 μ A.
2, applicazione collaborativa: costruzione di un sistema di protezione a livello tre-
1. Protezione del livello di ingresso: sopprimere i disturbi della rete elettrica
Soluzione 1: TVS+Protezione composita NMOS
Distribuzione di una combinazione di diodi TV bidirezionali e transistor NMOS alla fine dell'alimentazione di rete:
Il diodo TVS assorbe un aumento di 6kV sotto la forma d'onda 10/1000 μ S
Il transistor NMOS realizza il rilevamento della polarità di potenza e la commutazione automatica
Tempo di risposta<50ns, protection level up to IEC 61000-4-5 Level 4
Dopo aver applicato questa soluzione a una stazione base del deserto, il numero di guasti alle apparecchiature causati da fulmini all'anno è diminuito da 12 a 1 e i costi di manutenzione sono stati ridotti dell'85%.
Opzione 2: ottimizzazione del ponte raddrizzatore+transistor MOS
Per affrontare la questione della caduta di tensione di 0,7 V nei ponti del raddrizzatore tradizionale, vengono utilizzati i transistor MOS al posto dei diodi
Costruire un circuito di rettifica sincrono mediante transistor a 4 NMO
La resistenza On è diminuita da 0,7 Ω a 20 m Ω
L'efficienza è aumentata dall'85% al ​​98%
Dopo aver applicato questa tecnologia in un certo centro di supercomputer, il risparmio energetico annuale ha raggiunto 1,2 milioni di kWh, equivalente alla riduzione delle emissioni di carbonio di 980 tonnellate.
2. Regolazione della tensione intermedia: eliminare l'interferenza armonica
Soluzione: diodo Zener+combinazione LDO
La regolazione della tensione a due stadi è adottata nel processo di conversione DC DC -:
Il diodo Zener fornisce stabilizzazione della tensione primaria e assorbe fluttuazioni di tensione ± 10%
Il regolatore LDO sopprime ulteriormente l'ondulazione a 10 mv
Soddisfare i requisiti di alimentazione dei chip digitali come FPGA
Dopo aver applicato questa soluzione a un certo 5G AAU, la stabilità della potenza di trasmissione è aumentata di 3DB e il raggio di copertura è aumentata dell'8%.
3. Protezione del livello di uscita: impedisce la corrente inversa
Soluzione: controller di oring+transistor MOS
Nei sistemi di alimentazione ridondanti, vengono utilizzati i seguenti metodi:
Il diodo Schottky raggiunge l'isolamento primario
Commutazione senza soluzione di continuità di n +1 alimentazione ridondante utilizzando il transistor MOS
Tempo di commutazione ridotto da 10 ms a 50 μ s
Dopo aver applicato questa soluzione in un determinato data center, l'incidente di interruzione dell'alimentazione causata dall'incendio di alimentazione nell'array di archiviazione è stato completamente eliminato.
3, Pratica del settore: soluzioni di scenario tipico
1. Ottimizzazione dell'alimentazione della stazione base
Per affrontare il problema dell'alimentazione instabile per le stazioni base remote, viene adottato un sistema di alimentazione ibrido di "energia solare+batteria+regolatore di tensione intelligente":
Selezione del regolatore di tensione: intervallo di ingresso 180-520VAC, precisione di uscita ± 0,5%
Configurazione MOS: NMOS viene utilizzato per il controllo di ricarica della batteria, PMOS viene utilizzato per la commutazione di alimentazione del carico
Strategia di controllo: implementare il controllo del collegamento tra regolatore di tensione e BMS tramite bus CAN
Dopo aver applicato questa soluzione a una stazione base di altitudine - alta, la durata annuale di interruzione dell'alimentazione è diminuita da 72 ore a 3 ore e la disponibilità di rete è aumentata al 99,99%.
2. Aggiornamento dell'architettura del data center
Per affrontare le sfide di alimentazione di armadi di densità - alti, viene adottata un'architettura di potenza modulare:
Ogni modulo di alimentazione supporta lo scambio a caldo e un singolo errore del modulo non influisce sul funzionamento del sistema
Il transistor MOS raggiunge la condivisione di corrente automatica di 4 alimentatori di ingresso, con un grado di bilanciamento del carico di ± 2%
Monitoraggio intelligente: acquisizione in tempo reale dei parametri di tensione, corrente e temperatura tramite Bus I2C
Dopo aver applicato questa soluzione in un data center in scala -, il valore PUE è diminuito da 1,6 a 1,3 e il risparmio di potenza annuale ha raggiunto 12 milioni di kWh.
3. Protezione dell'interfaccia del modulo ottico
Per il numero di sensibilità ESD di 400 g di moduli ottici, viene adottata la protezione a livello -:
Livello 1: il diodo TVS assorbe ± 15kV scarico di contatto
Secondo livello: il diodo Zener limita la sovratensione a 5,6 V
Livello 3: RC Filtering Network Elimina High - Interferenza di frequenza
I dati di test di un determinato produttore di apparecchiature mostrano che questa soluzione riduce il tasso di fallimento ESD del modulo ottico dal 3% allo 0,02%.
4, Evoluzione tecnologica: innovazione di protezione per 6G
Con la divulgazione della comunicazione di onde millimetriche, della comunicazione Terahertz e di altre tecnologie nell'era 6G, i sistemi di alimentazione si trovano ad affrontare sfide più elevate:
Requisiti di rumore ultra basso: l'increspatura di potenza deve essere soppressa al livello μ V per soddisfare i requisiti di accuratezza della fase del radar a raggio a fasi
Miglioramento della risposta dinamica: il tempo di risposta deve essere abbreviato a livello μ S per adattarsi alla mutazione di potenza causata dalla formazione del beaming
Conversione di energia efficiente: la frequenza dell'interruttore è aumentata a livello di MHz, riducendo il volume dei componenti passivi
Gli attuali hotspot di ricerca includono:
Dispositivi protettivi di nitruro di gallio (GAN): frequenza di commutazione fino a 10 MHz, efficienza superiore al 95%
Tecnologia di integrazione magnetica: integrazione degli induttori con trasformatori, riducendo il volume del 40%
Controllo della protezione digitale: regolazione adattativa dei parametri ottenuti tramite DSP
5, Suggerimento di implementazione: gestione completa del ciclo di vita dalla selezione a funzionamento e manutenzione
Criteri di selezione dei componenti:
Diodo TVS: scegli dispositivi con VC/VBR<1.3 and Ipp>10KA
Transistor MOS: RDS (ON)<5m Ω Vgs(th)<2V,Ciss<1nF
Diodo Zener: coefficiente di temperatura<-2mV/℃, dynamic resistance<10 Ω
Punti chiave della progettazione del sistema:
Seguire il principio di "protezione graduata" per evitare una pressione eccessiva sulla protezione a livello singolo
Riserva il 20% di margine di corrente per soddisfare le esigenze di espansione future
Adottare un'architettura di alimentazione distribuita per ridurre le perdite di trasmissione a distanza lunghe -
Standard di gestione del funzionamento e della manutenzione:
Test di carico trimestrale per verificare l'accuratezza della protezione
Sostituire ogni anno i condensatori elettrolitici per prevenire il degrado della capacità
Stabilire un database di qualità dell'alimentazione per ottenere la previsione degli errori
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