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.
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.
Abb. 2: Das Leistungsmodul der RECOM RPX-Serie ist winzig, hat aber eine Ausgangsleistung von bis zu 4 A
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.
