5Gインフラへの電力供給

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）。

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。