5G-Infrastruktur effizient mit Strom versorgen

20.08.2021
Drohnenplatine mit 5G-Symbol
Mit der globalen Expansion der 5G-Netze steigt die Anzahl der Basisstationen rapide an, was zu einem höheren Energieverbrauch führt. Effiziente Stromversorgungslösungen sind entscheidend, um dieses Wachstum nachhaltig zu unterstützen. Dieser Artikel beschreibt die Herausforderungen und stellt Power-Module vor, die eine hohe Leistungsdichte sowie zuverlässige Performance in Basisstationen bieten.

Inhaltsverzeichnis

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-Frequenzbänder und Netzabdeckung

5G nutzt niedrige, mittlere und hohe Frequenzbänder. Mittlere Frequenzen (2,5 – 3,7 GHz) sind am häufigsten im Einsatz und ermöglichen Geschwindigkeiten von bis zu 900 Mbit/s. Hohe Frequenzen über 70 GHz bieten zwar noch höhere Datenraten, haben jedoch eine begrenzte Reichweite (~1,5 km) und eignen sich vor allem für dicht besiedelte Gebiete. Daher werden Basisstationen in Metro-, Mikro-, Pico- und Femto-Zellen unterteilt, die jeweils unterschiedliche Leistungen und Abdeckungen aufweisen. Die steigende Anzahl an Basisstationen führt voraussichtlich zu einer Verdoppelung des Energieverbrauchs im Vergleich zu 4G. Eine effiziente Gestaltung der Basisstationselektronik ist daher essenziell.

Effizienzherausforderungen bei RF-Leistungsverstärkern

RF-Leistungsverstärker (PAs) sind zentrale Komponenten in Basisstationen, erreichen jedoch oft nur Wirkungsgrade von rund 60%. Traditionell werden Laterally Diffused Metal-Oxide Semiconductor (LDMOS)-Bauelemente mit einer Betriebsspannung von 26–32 VDC eingesetzt. Um höhere Effizienz bei 5G-Frequenzen zu erzielen, kommen vermehrt Galliumnitrid (GaN)-Geräte zum Einsatz, die mit 50–60V betrieben werden, insbesondere in Small-Cell-Installationen. Eine Verbesserung der PA-Effizienz ist entscheidend, um den Gesamtenergieverbrauch zu senken.

DC/DC-Wandlerlösungen für 5G-Basisstationen

Zuverlässige und effiziente DC/DC-Wandler sind essenziell für die Stromversorgung verschiedener Komponenten innerhalb von Basisstationen.

Produkte der RPX-, RPL- und RPM-Serie von RECOM

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

Für Anwendungen mit geringerem Leistungsbedarf kommen nicht-isolierte Point-of-Load (PoL)-Wandler oder Power Modules zum Einsatz, die eine präzise, rauscharme Spannung direkt an der Last bereitstellen. RECOM bietet ultra-kompakte, hocheffiziente Module mit ‘3D Power Packaging®’-Technologie.

Die RPX-Serie umfasst Module wie RPX-1.0 und RPX-1.5 series, die in einem extrem kompakten 3 x 5mm QFN-Gehäuse untergebracht sind und je nach Modell 1A oder 1,5A liefern, mit Ausgangsspannungen von 0,8–30V und Eingangsspannungen von 4–36V. Das RPX-2.5-Modul liefert einen Ausgangsstrom von 2,5A bei einer etwas größeren Bauform (4 x 4,5mm), während das RPX-4.0-Modul 4A in einem kompakten 5 x 5,5 x 4,1mm-Gehäuse bereitstellt. Diese Wandler integrieren Induktivitäten und umfassende Schutzfunktionen, sodass nur Ausgangsspannungs-Widerstände und Ein-/Ausgangskondensatoren für eine vollständige Stromversorgungslösung erforderlich sind.
Graph Eingangs-VDC vs. Ausgangsstrom
Abb. 3: Von RECOM erhältliche Subminiatur-LGA-Power Module-Serien
Für höhere Ausgangsströme bis zu 6A eignet sich die RPM-Serie mit einem Eingangsspannungsbereich von 4–15V und einstellbarer Ausgangsspannung von 0,9–6V. Mit Spitzenwirkungsgraden von bis zu 99% arbeitet die RPM-Serie zuverlässig bei Umgebungstemperaturen von bis zu 90°C ohne aktive Kühlung. Für besonders platzsparende Designs ist die RPL-3.0-Serie ideal, die nur 3 x 3 x 1,45mm misst und mit einer Eingangsspannung von 4–18VDC betrieben wird. Die Ausgangsspannung ist zwischen 0,8VDC und 5,2VDC einstellbar und liefert bis zu 3A Dauerstrom. Alle Module verfügen über umfassende Schutz- und Überwachungsfunktionen, einschließlich einer Abschaltsteuerung für den Energiesparmodus von 5G-Basisstationen.

Fazit

5G-Technologie ermöglicht erhebliche Fortschritte in der Kommunikation und eröffnet neue Anwendungsmöglichkeiten. Damit dies nachhaltig bleibt und der ökologische Fußabdruck minimiert wird, muss der Energieverbrauch optimiert werden. Der Einsatz zuverlässiger DC/DC-Wandler mit hoher Effizienz und Leistungsdichte, die für anspruchsvolle Basisstationsumgebungen entwickelt wurden, ist dabei entscheidend. RECOM unterstützt diese Anwendungen mit einer breiten Palette geeigneter Stromversorgungslösungen.
Anwendungen
  Serie
1 RECOM | RPL-3.0 Series | DC/DC, SMD (pinless), 15W, Single Output
Fokus
  • Wide input range (4 - 18V)
  • Low profile 1.45mm
  • Small footprint 3x3mm
  • Adjustable output 0.8 to 5.2V
2 RECOM | RPL-3.0-EVM-1 Series | DC/DC, 15W, Single Output
Fokus
  • Evaluation platform for RPL-3.0 Buck Regulator Module
  • Thermal design considerations included
  • EMI Class A filter
  • Easy evaluation of output voltage selection, control, power good and sensing functions
3 RECOM | RPM-6.0 Series | DC/DC, SMD (pinless), Single Output
Fokus
  • High power density (L*W*H = 12.19*12.19*3.75)
  • Wide operating temperature -40°C to +90°C at full load
  • Efficiency up to 99%, no need for heatsinks
  • 6-sided shielding
4 RECOM | RPX-1.0 Series | DC/DC, SMD (pinless), 5W, Single Output
Fokus
  • Buck regulator power module with integrated shielded inductor
  • 36VDC input voltage, 1A output current
  • SCP, OCP, OTP, and UVLO protection
  • 3.0 x 5.0mm low profile QFN package
5 RECOM | RPX-1.5 Series | DC/DC, SMD (pinless), 7.5W, Single Output
Fokus
  • Buck regulator power module with integrated shielded inductor
  • 36VDC input voltage, 1.5A output current
  • SCP, OCP, OTP, and UVLO protection
  • 3.0 x 5.0mm low profile QFN package
6 RECOM | RPX-2.5 Series | DC/DC, SMD (pinless), 12.5W, Single Output
Fokus
  • Buck regulator power module with integrated shielded inductor
  • 28V maximum input voltage
  • 2.5A maximum output current
  • SCP, OCP, OTP, OVP and UVLO protection
7 RECOM | RPX-4.0 Series | DC/DC, SMD (pinless), 20W, Single Output
Fokus
  • Buck regulator power module with integrated shielded inductor
  • 36VDC input voltage, 4A output current
  • Programmable output voltage: 1 to 7V
  • Ultra-high power density: 5.0 x 5.5mm QFN footprint
8 RECOM | RPX-4.0-EVM-1 Series | DC/DC, 20W, Single Output
Fokus
  • Evaluation platform for RPX-4.0 buck regulator module
  • Thermal design considerations included
  • EMI class B filter
  • Easy evaluation of output voltage selection, control, and sensing functions
9 RECOM | RPM-6.0-EVM-1 Series | DC/DC, Single Output
  • Evaluation platform for RPM-6.0 buck regulator modules
  • Thermal design considerations included
  • EMI Class B filter
  • Easy evaluation of trimming, sequencing, soft start, enable and sensing functions
10 RECOM | RPX-1.0-EVM-1 Series | DC/DC, 5W, Single Output
  • Evaluation platform for RPX-1.0 buck regulator module
  • Thermal design considerations included
  • EMI class B filter
  • Easy evaluation of output voltage selection, control, and sensing functions
11 RECOM | RPX-1.5-EVM-1 Series | DC/DC, 7.5W, Single Output
  • Evaluation platform for RPX-1.5 buck regulator module
  • Thermal design considerations included
  • EMI class B filter
  • Easy evaluation of output voltage selection, control, and sensing functions
12 RECOM | RPX-2.5-EVM-1 Series | DC/DC, 12.5W, Single Output
  • Evaluation platform for RPX-2.5 buck regulator module
  • Thermal design considerations included
  • EMI Class B filter
  • Easy evaluation of output voltage selection, control and sensing functions