Sicherstellung des Kommunikationsnetzwerks

Jun 15, 2023

Laut GSMA ist die Einführung von 5G inzwischen in vollem Gange und soll bis 2025 ein Drittel der Weltbevölkerung abdecken. Große Mobiltelefonhersteller haben 5G-fähige Telefone auf den Markt gebracht, die denjenigen gefallen werden, die Daten und Videos mit der theoretischen Höchstgeschwindigkeit von 50 Gbit/s streamen möchten. Laut Statista werden bis 2023 weltweit 5G-Abonnements 1,3 Milliarden erreichen. Allerdings ist 5G viel mehr als nur schnellere Smartphones – es bildet die Grundlage für die Technologie hinter künstlicher Intelligenz, Cloud Computing, autonomen Fahrzeugen, dem Internet der Dinge (IoT), intelligenten Städten und Industrie und wahrscheinlich noch weiteren, noch ungeahnten Anwendungen. Infolgedessen werden die Investitionen in die neue 5G-Infrastruktur hoch sein, und die Netzbetreiber werden auf der Suche nach einer schnellstmöglichen Rendite für die laut Statista prognostizierten Ausgaben von 1,4 Billionen Dollar für Telekommunikationsdienste allein im Jahr 2021 sein.

Die 5G-Infrastruktur ist naturgemäß nicht einfach ein Upgrade auf 4G. Bei Spitzenleistungen nutzt 5G höhere Frequenzen und die Abdeckung ist geringer, sodass mehr Zellen erforderlich sind. Es stehen drei Bänder zur Verfügung: Low, Mid und High, wobei die meisten Installationen das Midband bei 2,5 – 3,7 GHz mit Geschwindigkeiten von bis zu 900 Mbit/s verwenden. Das Low-Band verwendet ähnliche Frequenzen wie 4G mit ähnlicher Reichweite und Abdeckung, bietet also kaum zusätzliche Vorteile, kann aber in Gebieten mit geringem Verkehrsaufkommen eingesetzt werden, um schnell eine einfache, aber breite Abdeckung zu erreichen. Das Hochband, das schließlich bei über 70 GHz arbeitet, liefert die schnellsten Datenraten, die Abdeckung ist jedoch sehr begrenzt, vielleicht 1,5 km, weshalb es für öffentliche Bereiche wie Arenen, Märkte und Konferenzzentren bevorzugt wird. Der Verkehr an diesen Standorten kann hoch sein, aber Basisstationen können klein sein und mithilfe von „Beamforming“-Techniken in einem begrenzten Bereich verteilt sein, um eine gute Abdeckung zu gewährleisten.

Zellen fallen daher in die Abdeckungskategorien „Metro“, „Mikro“, „Pico“ und „Femto“ mit reduzierter Leistungsabgabe und Reichweite, von einer MIMO-Metrozelle (Multiple Input Multiple Output), die über 100 W überträgt, bis zu einer Femtozelle mit Milliwatt Ebenen. Für die drei kleinsten Kategorien zusammen wird auch der Begriff „Kleinzelle“ verwendet. Mit der Steigerung des Datendurchsatzes und der Anzahl der Basisstationen dürfte der Energieverbrauch insgesamt steigen, wobei einige Berichte eine Verdoppelung im Vergleich zu 4G prognostizieren. Da Energie einen großen Kostenfaktor für Netzbetreiber darstellt (laut MTN Consulting 5 bis 6 % bei 4G), besteht ein enormer Druck, die Effizienz aller Elemente in der Basisstationselektronik zu steigern.

Eine besonders ineffiziente Stufe in einer Basisstation ist der HF-Leistungsverstärker, der traditionell LDMOS-Geräte verwendet, die kW bis zu einigen GHz erzeugen können. Um jedoch eine bessere Effizienz bei den höheren Frequenzen von 5G zu erreichen, werden zunehmend Galliumnitrid (GaN)-Geräte verwendet, die für Kleinzelleninstallationen mit geringerer Leistung und größerem Volumen geeignet sind. LDMOS wird normalerweise über 26-32-V-Gleichstromschienen mit Strom versorgt, während GaN 50-60 V verwendet. Der Wirkungsgrad einer HF-PA ist immer noch nicht hoch und liegt bei maximal etwa 60 %, sodass jedes Watt, das bei der Erzeugung der Stromschienen aus einer batteriegepufferten Systemversorgung, vielleicht bei 48 V, eingespart wird, wertvoll ist.

Die RPA150E-Serie ist ein geeigneter DC/DC-Wandler für eine 5G-Leistungsverstärkerstufe. Es ist galvanisch isoliert, sodass die Eingangsspannung eine typische Telekommunikationsversorgung mit -48 VDC oder -24 VDC sein kann, während der Ausgang positiv gegenüber Masse ist. Der RPA50E kann kontinuierlich 150 W und eine Spitzenleistung von bis zu 200 W zur Versorgung der Ausgangs-HF-Leistungsverstärker liefern. Die nominale Ausgangsspannung kann um ±20 % getrimmt werden, um die optimale Versorgungsspannung für maximale Effizienz bereitzustellen. Das 1/8-Brick-Format hat für die Nennleistung einen sehr geringen Platzbedarf und die Grundplattenkühlung ermöglicht einen Betrieb bei hohen Temperaturen ohne Leistungsminderung.

Ein wichtiges Merkmal von DC/DC-Wandlern in 5G-Anwendungen ist ihr geringer Ruhestromverbrauch und die Möglichkeit, in einen stromsparenden Abschaltmodus versetzt zu werden. Im Gegensatz zu 4G, das auch ohne Benutzerverkehr kontinuierlich Systeminformationen und Synchronisierungs-/Referenzsignale überträgt, verfügt 5G über erweiterte „Schlafmodi“ (ASMs), die zur Minimierung des durchschnittlichen Stromverbrauchs verwendet werden. Stromeinsparungen werden gegen Latenz eingetauscht, aber die Gewinne von etwa 50 % sind äußerst attraktiv. Daher ist es wichtig, in den DC/DC-Wandlern des Systems stromsparende Abschaltfunktionen zu haben. Der RPA150E ist auch ideal für den Einsatz mit batteriebetriebenen Netzteilen geeignet, da er einen Umwandlungswirkungsgrad von >91 % und einen Standby-Verbrauch von nur 3 mA aufweist.

„Envelope Tracking“ wird zunehmend verwendet, um die HF-PA-Versorgungsspannung zu variieren, um sie an die Amplitude des Modulationssignals anzupassen und so die Systemeffizienz zu erhöhen. Dies muss jedoch mit MHz-Raten erfolgen, sodass keine dynamische Anpassungsfunktion der Ausgangsspannung eines DC/DC-Wandlers möglich ist schnell genug. Eine externe Hüllkurvenverfolgungsschaltung mit GaN-Transistoren für dynamische Hochgeschwindigkeitsverfolgung kann einfach implementiert werden, um den Drain-Strom zum HF-Verstärker zu pulsieren.

Die andere Elektronik in einer Basisstation ist eine Mischung aus rauscharmer analoger Signalisierung und digitaler Verarbeitung unter Verwendung bekannter Komponenten wie CPUs, FPGAs, SoC-Geräte, ADCs, DACs und mehr. Diese Komponenten erfordern Spannungsschienen, die von +5 V für einen DAC bis hin zu unter 1 V für einen Prozessor oder FPGA reichen können und verwenden typischerweise nicht isolierte Point-of-Load-Konverter (PoLs) oder „Leistungsmodule“, um eine genaue, rauscharme Spannung bereitzustellen direkt an der Ladung. Die Eingangsspannung für den PoL kann ein System mit 48 V 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 möglichen extremen Temperaturen, Spannungsspitzen durch Blitzeinschläge und andere Geräte, hohen HF-Feldern und das alles im kleinsten Gehäuse zu den niedrigsten Anschaffungskosten. Zuverlässigkeit ist von größter Bedeutung, um unnötige Wartungskosten zu vermeiden, und der elektrische Wirkungsgrad muss hoch sein, um die Energiekosten niedrig zu halten und die Belastung anderer Komponenten durch Wärmeerzeugung zu minimieren.

Das RECOM-Portfolio umfasst auch nicht isolierte Leistungsmodule mit ultrakompakten, hocheffizienten Teilen, die die „3D-Power-Packaging“-Technologien des Unternehmens nutzen.

Die RECOM RPX-1.0- und RPX-1.5-Serien haben eine minimale Grundfläche von 3 x 5 mm in einem flachen QFN-Gehäuse. Das Teil nutzt Flip-Chip-Technologie für eine extrem hohe Leistungsdichte, mit 1 A oder 1,5 A Nennausgang, einstellbar von 0,8–30 V, für Eingangsspannungen von 4–36 V. Mit einer nur geringfügig größeren Grundfläche (4 x 4,5 mm) bietet der RPX-2.5 einen Ausgangsstrom von 2,5 A. Wenn die Komponentenhöhe nicht so eingeschränkt ist, bietet der RPX-4.0 einen Ausgangsstrom von 4 A in einem kompakten Gehäuse von 5 x 5,5 x 4,1 mm. Alle diese Wandler verfügen über integrierte Induktivitäten und umfassenden Schutz (UVLO, SCP, OCP, OTP) und erfordern lediglich Widerstände zur Einstellung der Ausgangsspannung sowie Eingangs- und Ausgangskondensatoren, um vollständige Stromversorgungen zu bilden

Für höhere Ausgangsströme bis zu 6 A eignet sich die RPM-Serie mit einem Eingangsspannungsbereich von 4–15 V und einem einstellbaren Ausgang von 0,9–6 V. Der Wirkungsgrad erreicht einen Spitzenwert von 99 %, sodass das Teil auch bei Umgebungstemperaturen von bis zu 90 °C ohne Zwangsluftkühlung zuverlässig funktioniert.

Wenn der Platz auf der Platine sehr begrenzt ist, ist die RPL-3.0-Serie ideal. Der Eingangsspannungsbereich beträgt 4-18 VDC und die Ausgangsspannung kann zwischen 0,8 VDC und 5,2 VDC eingestellt werden. Der maximale Dauerausgangsstrom beträgt 3A – beeindruckend für einen nur 3 x 3 x 1,45 mm kleinen Wandler.

Alle genannten Teile umfassen umfassenden Schutz und Überwachung, einschließlich einer Abschaltsteuerung zur Energieeinsparung, wenn sich eine 5G-Basisstation im Ruhezustand befindet.

5G verspricht enorme Verbesserungen 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 Umweltbelastung minimal ist. Der Einsatz zuverlässiger Stromrichter mit hoher Effizienz und Leistungsdichte, die für die schwierige Basisstationsumgebung ausgelegt sind, ist eine Schlüsselrolle, um dies zu erreichen. RECOM kann die Anwendung mit einer breiten Palette geeigneter Konverter unterstützen.