5Gインフラへの電力供給

GSMA [1]によれば、5Gの普及は順調に進んでおり、2025年までに世界人口の3分の1をカバーできる見込みです。大手携帯電話メーカーは5G対応の携帯電話を発売しており、理論上の最大速度である50Gb/sでのデータや動画のストリーミングを楽しむユーザーに受け入れられています。Statista社[2]は、世界の5G契約数は2023年までに13億件に達すると予測しています。

しかし、5Gは単にスマートフォンを高速化するだけではなく、人工知能、クラウドコンピューティング、自律走行車、モノのインターネット（IoT）、スマートシティや産業を支える技術であり、おそらくまだ想像もされていないアプリケーションが出現すると思われます。そのため、新しい5Gインフラへの投資は膨大になり、ネットワーク事業者は可能な限り早く利益を確保しようとするでしょう。Statista社は、2021年だけで1兆4,000億ドルの通信サービス費用がかかると予測しています。

5Gは70GHz以上で動作する可能性

5Gのインフラは、単に4Gをアップグレードしたものではありません。5Gはその性質上、ピークパフォーマンス時にはより高い周波数を使用しカバレッジが低下するため、より多くのセルが必要となります。5Gにはローバンド、ミッドバンド、ハイバンドの3つの帯域がありますが、多くの導入事例ではミッドバンドの2.5～3.7GHzを使用し、最大900Mb/sの速度を実現しています。ローバンドは、4Gと同じ周波数を使用しており、通信範囲やカバレッジも同様であるため追加するメリットはほとんどありませんが、データ量が少ない場合、ベーシックですが広いエリアを高速にカバーすることができます。ハイバンドは70GHz以上の周波数を使用し最も高速なデータレートを実現しますが、カバレッジは1.5km程度と非常に限定されるため、アリーナや市場、会議場などの公共エリアでの使用に適しているとされています。このような場所ではデータトラフィックが多くなりますが、基地局を小型化し「ビームフォーミング」技術を用いて限定されたエリアに分散させることで、良好なカバレッジを実現します。

そのため、セルは「メトロ」、「マイクロ」、「ピコ」、「フェムト」の4つのカバレッジカテゴリーに分類され、100W以上の電力を送信するMIMO（Multiple Input Multiple Output）メトロセルからミリワットレベルで動作するフェムトセルまで、さまざまな出力と範囲のセルがあります。「スモールセル」という言葉は、この3つの最小カテゴリーの総称で使われることもあります。スループットと基地局数の増加に伴い、エネルギー消費量は全体的に増加し、4Gと比較して2倍になるとのレポートもあります。エネルギーはネットワーク事業者にとって大きなコストを占めるため（MTN 社のコンサルティングによると、4G では 5 ～ 6％）、基地局技術のすべての要素の効率を高めることが強く求められています。

パワーアンプステージの低効率

基地局の中でも特に効率が悪いのがRFパワーアンプ（図1）で、従来はkWから数GHzまでを生成できるLDMOSデバイスを使用していました。しかし、5Gの高い周波数での効率性を追求するために、低消費電力で大容量のスモールセルに適した窒化ガリウム（GaN）デバイスの使用が増えています。LDMOSは一般的に26〜32VのDCレールを使用しますが、GaNは50〜60Vを使用します。RFパワーアンプの効率は最大でも60%程度と決して高くはないため、バッテリーでバックアップされたシステム電源（おそらく48V）からパワーレールを生成することで節約できるワット数は貴重なものとなります。

RPA150Eシリーズは、5Gパワーアンプに適したDC/DCコンバータです[4]。ガルバニック絶縁により、入力電圧は一般的な通信用の-48VDCまたは-24VDCで、出力はグラウンドに対して正の値となります（図1）。RPA50Eは、連続で150W、ピークで最大200Wの電力を出力RFパワーアンプに供給可能で、公称出力電圧を±20%トリミングして、最大効率のために最適な電源電圧を供給することができます。 1/8サイズのブリックフォーマットは、定格電力に対して非常に小さなフットプリントであり、ベースプレートの冷却によりディレーティングなしで高温動作が可能です。

5GアプリケーションにおけるDC/DCコンバータの重要な特長は、静止電力消費量が少なく、低電力シャットダウンモードが設定できることです。データトラフィックがなくてもシステム情報や同期/参照信号を送信し続ける4Gとは異なり、5Gでは平均消費電力を最小化するための高度な「スリープ」モード（ASM）が定義されています。省電力はレイテンシーとのトレードになりますが、約50％の省電力は非常に魅力的です。そのため、システムのDC/DCコンバータに低消費電力のシャットダウン機能を持たせることが重要です。また、RPA150Eは、91%以上の変換効率とわずか3mAの待機時消費電力を実現しており、バッテリー駆動のシステムにも最適です。

「エンベロープ・トラッキング」は、システム効率を向上させるために、変調信号の振幅に合わせてRFパワーアンプの電源電圧を変化させるために使用されることが多くなっていますが、これはMHzレートで動作させる必要があるため、DC/DCコンバータのダイナミックな出力電圧調整機能では十分に高速化できません。RFアンプのドレイン電流をパルス化するために、高速ダイナミックトラッキングが可能なGaNトランジスタを用いた外部エンベロープトラッキング回路を簡単に実装することができます（図1）。

電力を必要とする様々なデジタルおよびアナログ電子部品

基地局に使われるその他の電子部品には、CPU、FPGA、SoCデバイス、ADC、DACなどのおなじみのコンポーネントがあり、低ノイズのアナログ信号とデジタル処理が混在しています。これらのコンポーネントは、DAC用の+5VからプロセッサやFPGA用の1V以下までの電圧レールを必要とし、一般的には非絶縁型のポイント・オブ・ロード・コンバータ（PoL）または「パワーモジュール」を使用して、正確で低ノイズの電圧を負荷に供給します。PoLへの入力電圧は、システムの48Vか、より一般的な12Vのレギュレーションされた「中間バス」となります。

5G基地局に搭載される絶縁型DC/DCコンバータとパワーモジュールは、極端な温度変化、落雷や他の機器からの過渡現象、高いRFフィールドなどが発生する可能性のある厳しい環境下で動作することが多く、これらすべてを最小の筐体ならびにコストで実現する必要があります。不必要なメンテナンス費用を避けるためには信頼性が最も重要であり、エネルギーコストを低く抑え、他のコンポーネントの発熱による負担を最小限に抑えるためには、電気効率が高くなければなりません。

RECOMは、独自の「3Dパワーパッケージング」技術を用いた超小型・高効率の非絶縁型のパワーモジュールをラインアップしています。

RECOM RPX-1.0およびRPX-1.5シリーズは、最小の3×5mmのフットプリントで、高電力密度実現のためのフリップチップ技術を用いた薄型のQFNパッケージを採用しています。4～36Vの入力電圧に対して、1Aまたは1.5Aの定格出力、0.8～30Vの電圧調整が可能です。RPX-2.5は、フットプリントがわずかに大きい（4×4.5mm）だけで、2.5Aの出力電流を実現しています。コンポーネントの高さに厳しい制約がなければ、5×5.5×4.1mmのコンパクトなパッケージで4Aの出力電流を実現するRPX-4.0が最適です。これらのコンバータはすべて、インダクタと完全な保護機能（UVLO、SCP、OCP、OTP）を内蔵しており、出力電圧設定用の抵抗と入出力コンデンサのみで電源を構成できます。

6Aまでの高出力電流には、入力電圧が4～15V、出力が0.9～6Vの範囲で調整可能なRPMシリーズが適しています。効率は99％に達し、90℃までの環境下でも強制空冷なしで安定した動作が可能です。

基板スペースが限られている場合は、RPL-3.0シリーズが最適です。入力電圧はDC4〜18V、出力電圧はDC0.8〜5.2Vの範囲で調整可能です。最大連続出力電流は3Aで、わずか3×3×1.45mmの小型コンバータとしては驚異的です。

これらすべての部品には、5G基地局がスリープ状態時の省エネのためのシャットダウン制御を含む、包括的な保護と監視機能が含まれています。図3は、利用可能な電力範囲をまとめたものです。

5Gは通信性能の大幅な向上を約束し、多くの新しいエキサイティングなアプリケーションを開拓します。しかし、システム設計者は、5Gを実現するためには、エネルギー消費を最小限に抑え、環境への影響を最小限に抑える必要があることを認識しなければなりません。高効率で電力密度が高く、厳しい基地局環境に対応した信頼性の高いコンバータこそが重要な要素となります。RECOMでは、最適なコンバータを幅広く取り揃え、5G基地局アプリケーションをサポートします。

参考

[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