Stromversorgung der 5G-Infrastruktur

Der „Rollout“ von 5G ist bereits in vollem Gange. Laut GSMA [1] soll bis 2025 ein Drittel der Weltbevölkerung mit 5G versorgt sein. Große Mobiltelefonhersteller haben 5G-fähige Telefone auf den Markt gebracht, die diejenigen erfreuen werden, die Daten und Videos mit einer theoretischen Höchstgeschwindigkeit von 50 Gb/s streamen wollen und laut Statista [2] wird die Anzahl der weltweiten 5G-Abonnements bis 2023 voraussichtlich die Marke von 1,3 Milliarden erreichen.

5G ist jedoch viel mehr als nur schnellere Smartphones - es ist die Grundlage für die Technologie hinter künstlicher Intelligenz, Cloud Computing, autonomen Fahrzeugen, dem Internet der Dinge (IoT), intelligenten Städten und der Industrie sowie wahrscheinlich weiteren, zurzeit noch nicht erträumten Anwendungen. Folglich werden die Investitionen in neue 5G-Infrastrukturen hoch sein und die Netzbetreiber werden nach der schnellstmöglichen Rendite für die von Statista prognostizierten 1,4 Billionen Dollar an Telekommunikationsdienstleistungen allein im Jahr 2021 suchen.

5G wird möglicherweise bei über 70 GHz funktionieren

Die 5G-Infrastruktur ist nicht einfach ein Upgrade von 4G. Es liegt in der Natur der Sache, dass 5G bei Spitzenleistung höhere Frequenzen verwendet und die Abdeckung geringer ist, sodass mehr Zellen benötigt werden. Es stehen drei Bänder zur Verfügung: Low, Mid und High, wobei die meisten Installationen das Mid-Band bei 2,5 - 3,7 GHz mit Geschwindigkeiten von bis zu 900 Mbit/s nutzen. Das Low-Band verwendet ähnliche Frequenzen wie 4G mit ähnlicher Reichweite und Abdeckung, so dass es wenig zusätzlichen Nutzen bietet, aber in Gebieten mit niedrigem Datenverkehr eingesetzt werden kann, um schnell eine grundlegende, aber breite Abdeckung zu erreichen. Das High-Band, das eventuell mit über 70 GHz arbeitet, liefert die schnellsten Datenraten, aber die Abdeckung ist sehr begrenzt, vielleicht 1,5 km, daher wird es für öffentliche Bereiche wie Arenen, Märkte und Konferenzzentren bevorzugt. Das Verkehrsaufkommen an diesen Orten kann hoch sein, aber die Basisstationen können klein sein und in einem begrenzten Bereich mit „Beamforming“-Techniken verteilt werden, um eine gute Abdeckung zu gewährleisten.

Zellen fallen daher in die Abdeckungskategorien „Metro“, „Micro“, „Pico“ und „Femto“ mit abnehmender Leistung und Reichweite, von einer Multiple-Input-Multiple-Output (MIMO)-Metro-Zelle, die über 100 W überträgt, bis hin zu einer Femto-Zelle, die im Milliwatt-Bereich arbeitet. Für die drei kleinsten Kategorien zusammen wird auch der Begriff „Small Cell“ verwendet. Mit dem erhöhten Durchsatz und der Anzahl der Basisstationen wird der Energieverbrauch insgesamt steigen, wobei einige Berichte eine Verdoppelung im Vergleich zu 4G vorhersagen. Da Energie für die Netzbetreiber einen großen Kostenfaktor darstellt (5 % bis 6 % bei 4G laut MTN Consulting [3]), besteht ein extremer Druck, die Effizienz aller Elemente der Basisstationselektronik zu erhöhen.

HF-PA-Stufen sind nicht sehr effizient

Eine besonders ineffiziente Stufe in einer Basisstation ist der HF-Leistungsverstärker (Abbildung 1), der traditionell LDMOS-Bauelemente verwendet, die kW bis zu einigen GHz erzeugen können. Im Streben nach einer besseren Effizienz bei den höheren Frequenzen von 5G werden jedoch zunehmend Galliumnitrid (GaN)-Bauelemente verwendet, die für Kleinzellen-Installationen mit geringerer Leistung und höherem Volumen geeignet sind. LDMOS wird typischerweise von 26-32V DC-Schienen versorgt, während GaN 50-60V verwendet. Der Wirkungsgrad einer HF-PA ist immer noch nicht hoch und liegt bei maximal 60 %, so dass jedes Watt, das bei der Stromversorgung der Stromschienen aus einem batteriegestützten System, vielleicht mit 48 V, eingespart wird, wertvoll ist.

Die RPA150E-Serie ist ein geeigneter DC/DC-Wandler für eine 5G-Leistungsverstärkerstufe [4]. Er ist galvanisch isoliert, sodass die Eingangsspannung eine typische Telekom-Versorgung mit -48VDC oder -24VDC sein kann, während der Ausgang positiv gegenüber Masse ist (Abbildung 1). Der RPA50E kann 150 W Dauerleistung und bis zu 200 W Spitzenleistung zur Versorgung der Ausgangs-HF-Leistungsverstärker liefern. Die nominale Ausgangsspannung kann um ±20 % getrimmt werden, um die optimale Versorgungsspannung für maximalen Wirkungsgrad zu erhalten. Das 1/8 Brick-Format hat einen sehr kleinen Footprint für die Nennleistung, und die Grundplattenkühlung erlaubt den Betrieb bei hohen Temperaturen ohne Derating.

Ein wichtiges Merkmal von DC/DC-Wandlern in 5G-Anwendungen ist eine geringe Ruhestromaufnahme und die Fähigkeit, in einen stromsparenden Abschaltmodus versetzt zu werden. Im Gegensatz zu 4G, das kontinuierlich Systeminformationen und Synchronisations-/ Referenzsignale überträgt, auch wenn kein Datenverkehr stattfindet, hat 5G fortschrittliche „Schlaf“-Modi (ASMs) definiert, die zur Minimierung der durchschnittlichen Leistungsaufnahme verwendet werden. Die Energieeinsparungen werden gegen die Latenzzeit gehandelt, aber die Gewinne von etwa 50 % sind äußerst attraktiv. Daher ist es wichtig, dass die DC/DC-Wandler des Systems über Low-Power-Shutdown-Funktionen verfügen. Der RPA150E ist auch ideal für den Einsatz mit batteriebetriebenen Versorgungen, da er einen Wandlungswirkungsgrad von >91% und einen Standby-Verbrauch von nur 3mA aufweist.

Das „Envelope Tracking“ wird zunehmend eingesetzt, um die HF-PA-Versorgungsspannung zu variieren, um sie an die Amplitude des modulierenden Signals anzupassen und so die Systemeffizienz zu erhöhen, aber es muss mit MHz-Raten arbeiten, so dass jede dynamische Ausgangsspannungsanpassungsfunktion eines DC/DC-Wandlers nicht schnell genug sein kann. Eine externe Envelope Tracking-Schaltung, die GaN-Transistoren für eine dynamische Hochgeschwindigkeitsverfolgung verwendet, kann einfach implementiert werden, um den Drain-Strom zum HF-Verstärker zu pulsieren (Abbildung 1).

Basisstationen haben eine Reihe digitaler und analoger Elektronik, die Strom benötigt

Die übrige Elektronik in einer Basisstation ist eine Mischung aus rauscharmer analoger Signalisierung und digitaler Verarbeitung unter Verwendung bekannter Komponenten wie CPUs, FPGAs, SoC-Bausteine, ADCs, DACs und mehr. Diese Komponenten benötigen Spannungsschienen, die von +5V für einen DAC bis hinunter zu unter 1V für einen Prozessor oder FPGA reichen können und verwenden typischerweise nicht-isolierte Point-of-Load-Wandler (PoLs) oder „Power-Module“, um eine genaue, rauscharme Spannung direkt an der Last bereitzustellen. Die Eingangsspannung für den PoL kann eine 48-V-Systemspannung oder, was wahrscheinlicher ist, ein geregelter „Zwischenbus“ mit typischerweise 12 V sein.

Isolierte DC/DC-Wandler und Leistungsmodule in 5G-Basisstationen arbeiten oft in einer schwierigen Umgebung mit potenziellen Temperaturextremen, Transienten durch Blitzeinschläge und andere Geräte, hohen HF-Feldern und das alles im kleinsten Gehäuse bei geringsten Anschaffungskosten. Zuverlässigkeit ist das A und O, um unnötige Wartungskosten zu vermeiden. Der elektrische Wirkungsgrad muss hoch sein, um die Energiekosten niedrig zu halten und die Belastung anderer Komponenten durch Wärmeentwicklung zu minimieren.

Nicht-isolierte Leistungsmodule sind ebenfalls im RECOM-Portfolio enthalten, mit ultrakompakten, hocheffizienten Teilen, die die „3D Power Packaging^®“-Technologien des Unternehmens nutzen.

Die Serien RECOM RPX-1.0 und RPX-1.5 series haben eine minimale Grundfläche von 3 x 5 mm in einem Low-Profile-QFN-Gehäuse. Das Bauteil nutzt die Flip-Chip-Technologie für eine extrem hohe Leistungsdichte, mit 1A oder 1,5A Nennausgang, einstellbar von 0,8-30V, für Eingangsspannungen von 4-36V. Bei nur geringfügig größerer Grundfläche (4 x 4,5 mm) bietet der RPX-2.5 einen Ausgangsstrom von 2,5 A. Wenn die Bauhöhe nicht so eingeschränkt ist, bietet der RPX-4.0 4A Ausgangsstrom in einem kompakten 5 x 5,5 x 4,1mm Gehäuse. Alle diese Wandler sind komplett mit integrierten Induktivitäten und vollem Schutz (UVLO, SCP, OCP, OTP) ausgestattet, so dass nur noch Widerstände zur Einstellung der Ausgangsspannung sowie Eingangs- und Ausgangskondensatoren benötigt werden, um komplette Stromversorgungen zu bilden.

Für höhere Ausgangsströme, bis zu 6A, ist die RPM-Serie geeignet, die mit einem Eingangsspannungsbereich von 4-15V und einem einstellbaren Ausgang von 0,9-6V. Der Wirkungsgrad erreicht Spitzenwerte von 99 %, wodurch das Bauteil bei Umgebungstemperaturen von bis zu 90 °C ohne forcierte Luftkühlung zuverlässig arbeiten kann.

Wenn der Platz auf der Platine sehr begrenzt ist, ist die Serie RPL-3.0 ideal. Der Eingangsspannungsbereich liegt bei 4-18 VDC, die Ausgangsspannung kann im Bereich von 0,8 VDC bis 5,2 VDC eingestellt werden. Der maximale Dauerausgangsstrom beträgt 3A - beeindruckend für einen Wandler, der nur 3 x 3 x 1,45mm klein ist.

Alle genannten Teile beinhalten umfassenden Schutz und Überwachung, einschließlich einer Abschaltsteuerung zur Energieeinsparung, wenn sich eine 5G-Basisstation im Ruhezustand befindet. Abbildung 3 fasst die verfügbaren Leistungsbereiche zusammen.

5G verspricht enorme Verbesserungen in der Kommunikationsleistung und eröffnet viele neue und spannende Anwendungen. Systementwickler sind sich jedoch bewusst, dass der Energieverbrauch minimiert werden muss, damit 5G realisierbar ist und die Umwelt möglichst wenig belastet wird. Der Einsatz von zuverlässigen Leistungswandlern mit hohem Wirkungsgrad und hoher Leistungsdichte, die für die schwierige Umgebung der Basisstation ausgelegt sind, ist der Schlüssel zum Erfolg. RECOM kann die Anwendung mit einer breiten Palette an geeigneten Wandlern unterstützen.

Referenzen

[1] GSMA: Global System for Mobile Communications: http://www.gsma.com
[2] http://www.statista.com/topics/3447/5g
[3] http://www.mtnconsulting.biz/product/operators-facing-power-cost-crunch/
[4] https://recom-power.com/rec-s-RPA150E-EW.html