Asegurar la red de comunicación

Jun 15, 2023

El despliegue de 5G ya está en marcha y la cobertura está en camino para un tercio de la población mundial para 2025, según la GSMA. Los principales fabricantes de teléfonos móviles han lanzado teléfonos habilitados para 5G, que complacerán a quienes quieran transmitir datos y vídeos a una velocidad máxima teórica de 50 Gb/s, y se prevé que las suscripciones 5G en todo el mundo alcancen los 1.300 millones para 2023, según Statista. Sin embargo, 5G es mucho más que teléfonos inteligentes más rápidos: sustenta la tecnología detrás de la inteligencia artificial, la computación en la nube, los vehículos autónomos, el Internet de las cosas (IoT), las ciudades y la industria inteligentes, y probablemente más aplicaciones aún inimaginables. Como resultado, la inversión en nueva infraestructura 5G será alta y los operadores de redes buscarán el retorno más rápido posible de lo que, según Statista, serán 1,4 billones de dólares gastados en servicios de telecomunicaciones solo en 2021.

La infraestructura 5G no es simplemente una actualización a 4G por su naturaleza; en el máximo rendimiento, 5G utiliza frecuencias más altas y la cobertura es menor, por lo que se requieren más células. Hay tres bandas disponibles: baja, media y alta, y la mayoría de las instalaciones utilizan la banda media de 2,5 a 3,7 GHz, a velocidades de hasta 900 Mb/s. La banda baja utiliza frecuencias similares a 4G con alcance y cobertura similares, por lo que ofrece pocos beneficios adicionales, pero puede usarse en áreas de poco tráfico para lograr una cobertura básica pero amplia rápidamente. La banda alta, que eventualmente funciona a más de 70 GHz, produce las velocidades de datos más rápidas, pero la cobertura es muy limitada, quizás 1,5 km, por lo que se prefiere para áreas públicas como estadios, mercados y centros de conferencias. El tráfico en estos lugares puede ser elevado, pero las estaciones base pueden ser pequeñas y estar distribuidas en un área restringida con técnicas de "formación de haces" para proporcionar una buena cobertura.

Por lo tanto, las celdas se clasifican en las categorías de cobertura 'metro', 'micro', 'pico' y 'femto' con potencia y alcance reducidos, desde una celda metro de entrada múltiple y salida múltiple (MIMO) que transmite más de 100 W hasta una celda femto que opera a milivatios. niveles. El término "célula pequeña" también se utiliza para las tres categorías más pequeñas juntas. Con el aumento del rendimiento y el número de estaciones base, el consumo de energía aumentará en general, y algunos informes predicen una duplicación en comparación con 4G. Dado que la energía supone un coste importante para los operadores de red (entre el 5 % y el 6 % con 4G, según MTN Consulting), existe una presión extrema para aumentar la eficiencia de todos los elementos de la electrónica de las estaciones base.

Una etapa particularmente ineficiente en una estación base es el amplificador de potencia de RF, que tradicionalmente utiliza dispositivos LDMOS que pueden generar kW hasta unos pocos GHz. Sin embargo, en la búsqueda de una mayor eficiencia en las frecuencias más altas de 5G, se utilizan cada vez más dispositivos de nitruro de galio (GaN) que se adaptan a instalaciones de celdas pequeñas de menor potencia y mayor volumen. LDMOS normalmente se alimenta desde rieles de CC de 26 a 32 V, mientras que GaN usa 50 a 60 V. La eficiencia de un PA de RF aún no es alta, alrededor del 60 % como máximo, por lo que cada vatio ahorrado al generar los rieles de alimentación a partir de un suministro de sistema respaldado por batería, quizás a 48 V, es valioso.

La serie RPA150E es un convertidor CC/CC adecuado para una etapa de amplificador de potencia 5G. Está aislado galvánicamente, por lo que el voltaje de entrada puede ser un suministro típico de telecomunicaciones de -48 VCC o -24 VCC, mientras que la salida es positiva con respecto a tierra. El RPA50E puede entregar 150 W de forma continua y hasta 200 W de potencia máxima para alimentar los amplificadores de potencia de RF de salida, y el voltaje de salida nominal se puede recortar ±20 % para suministrar el voltaje de suministro óptimo para una máxima eficiencia. El formato de bloque de tamaño 1/8 ocupa un espacio muy pequeño para la potencia nominal y el enfriamiento de la placa base permite el funcionamiento a alta temperatura sin reducción de potencia.

Una característica importante de los convertidores CC/CC en aplicaciones 5G es tener un bajo consumo de energía en reposo y la capacidad de configurarse en un modo de apagado de bajo consumo. A diferencia de 4G, que transmite continuamente información del sistema y señales de sincronización/referencia incluso sin tráfico de usuarios, 5G ha definido modos de "suspensión" avanzados (ASM) que se utilizan para minimizar el consumo medio de energía. El ahorro de energía se compensa con la latencia, pero las ganancias de alrededor del 50% son extremadamente atractivas. Por lo tanto, es importante contar con funciones de apagado de baja potencia en los convertidores CC/CC del sistema. El RPA150E también es ideal para usar con suministros alimentados por batería, ya que tiene una eficiencia de conversión de >91 % y un consumo en espera de solo 3 mA.

El 'seguimiento de envolvente' se utiliza cada vez más para variar el voltaje de suministro de PA de RF para que coincida con la amplitud de la señal moduladora para aumentar la eficiencia del sistema, pero debe funcionar a velocidades de MHz, por lo que no se puede realizar ninguna función de ajuste dinámico del voltaje de salida de un convertidor CC/CC. suficientemente rapido. Se puede implementar fácilmente un circuito de seguimiento de envolvente externo que utiliza transistores GaN para un seguimiento dinámico de alta velocidad para impulsar la corriente de drenaje al amplificador de RF.

Otros componentes electrónicos de una estación base son una mezcla de señalización analógica de bajo ruido y procesamiento digital, utilizando componentes familiares como CPU, FPGA, dispositivos SoC, ADC, DAC y más. Estos componentes requieren rieles de voltaje que pueden variar desde +5 V para un DAC hasta menos de 1 V para un procesador o FPGA y generalmente emplean convertidores de punto de carga (PoL) no aislados o "módulos de potencia" para proporcionar un voltaje preciso y de bajo ruido. justo en la carga. El voltaje de entrada al PoL puede ser un sistema de 48 V o, más probablemente, un 'bus intermedio' regulado normalmente de 12 V.

Los convertidores CC/CC aislados y los módulos de potencia en las estaciones base 5G a menudo operan en un entorno difícil con posibles temperaturas extremas, transitorios causados ​​por rayos y otros equipos, altos campos de RF y todo en el gabinete más pequeño al menor costo de adquisición. La confiabilidad es primordial para evitar gastos de mantenimiento innecesarios y la eficiencia eléctrica debe ser alta para mantener bajos los costos de energía y minimizar la carga de generación de calor en otros componentes.

Los módulos de potencia no aislados también se incluyen en la cartera de RECOM con piezas ultracompactas y de alta eficiencia que utilizan las tecnologías de 'empaquetado de energía 3D' de la empresa.

Las series RECOM RPX-1.0 y RPX-1.5 tienen un espacio mínimo de 3 x 5 mm en un encapsulado QFN de bajo perfil. La pieza utiliza tecnología flip-chip para una densidad de potencia extremadamente alta, con salida nominal de 1 A o 1,5 A, ajustable de 0,8 a 30 V, para voltajes de entrada de 4 a 36 V. Con un tamaño ligeramente mayor (4 x 4,5 mm), el RPX-2.5 ofrece una corriente de salida de 2,5 A. Si la altura de los componentes no está tan restringida, el RPX-4.0 ofrece una corriente de salida de 4 A en un paquete compacto de 5 x 5,5 x 4,1 mm. Todos estos convertidores se completan con inductores integrados y protección total (UVLO, SCP, OCP, OTP), y solo requieren resistencias de ajuste de voltaje de salida y capacitores de entrada y salida para formar fuentes de alimentación completas.

Para corrientes de salida más altas, hasta 6 A, la serie RPM es adecuada, con un rango de voltaje de entrada de 4-15 V y salida ajustable de 0,9-6 V. La eficiencia alcanza un máximo del 99 %, lo que permite que la pieza funcione de manera confiable en temperaturas ambiente de hasta 90 °C sin refrigeración por aire forzado.

Si el espacio en la placa es muy limitado, la serie RPL-3.0 es ideal. El rango de voltaje de entrada es de 4 a 18 VCC y el voltaje de salida se puede ajustar entre 0,8 VCC y 5,2 VCC. La corriente de salida continua máxima es de 3 A, algo impresionante para un convertidor que sólo mide 3 x 3 x 1,45 mm.

Todas las partes mencionadas incluyen protección y monitoreo integral, incluido un control de apagado para ahorrar energía cuando una estación base 5G está en estado de suspensión.

5G promete enormes mejoras en el rendimiento de las comunicaciones, abriendo muchas aplicaciones nuevas e interesantes. Sin embargo, los diseñadores de sistemas son conscientes de que se debe minimizar el consumo de energía para que 5G sea viable y tenga un impacto ambiental mínimo. El uso de convertidores de potencia confiables con alta eficiencia y densidad de potencia y que estén clasificados para el difícil entorno de estaciones base son factores clave para lograrlo. RECOM puede respaldar la aplicación con una amplia gama de convertidores adecuados.