Digital geregelte DC-DC-Wandler

Power für die 5G-Infrastruktur

28. Januar 2022, 10:00 Uhr | Phil Goff, Flex Power Modules
5G
© James Thew/adobe.stock.com

HF-Verstärker für die 5G-Infrastruktur benötigen 10 kW und mehr. Um eine solche Leistung ohne aktive Kühlung in einem Gehäuse bereitzustellen, das an einem Mast befestigt werden kann, eignen sich digital geregelte DC-DC-Wandler im Brick-Format.

Es scheint noch nicht lange her zu sein, dass 5G eher Wunsch als Realität war. Aber die Nachfrage hat die Entwicklung und Einführung so weit vorangetrieben, dass bis 2025 die 5G-Netzabdeckung wahrscheinlich ein Drittel der Weltbevölkerung umfassen wird. Laut GSM Association waren Anfang 2021 bereits in 61 Ländern kommerzielle 5G-Netze in Betrieb, und diese Zahl wird weiter steigen.

Zu den Vorteilen von 5G gehören theoretische Download-Geschwindigkeiten von mehr als 50 Gbit/s bei einer 50 Mal geringeren Latenz als 4G, um das Internet der Dinge (IoT) für die Fabrik- und Hausautomatisierung und V2X – die Kommunikation zwischen Fahrzeugen und der Infrastruktur zur Steuerung autonomer Fahrzeuge – zu ermöglichen. Bis 2025 wird der daraus resultierende weltweite Datenverkehr voraussichtlich an die 160 Exabyte betragen, wobei die Zahl der vernetzten Geräte eine Million pro Quadratkilometer überschreiten soll, wie auf einem Weltkongress für IoT-Lösungen berichtet wurde.

Möglich wird die höhere Geschwindigkeit durch die größere Bandbreite der Betriebsfrequenzen, die jetzt bei etwa 4 GHz liegen und in Zukunft noch weiter in die Millimeterwellen-Bänder (mmWave) vordringen werden. Dies reduziert zwangsläufig die Reichweite der Funkwellen. Eine Lösung besteht darin, die Abdeckung mit deutlich mehr Femto-, Mikro- und Mini-Zellen zu verbessern, die z. B. an Strommasten und in Innenräumen in Büros und öffentlichen Gebäuden installiert werden.

Auch die Technik des Beamforming kommt bei 5G zum Einsatz: MIMO-Arrays (Multiple Input/Multiple Output) kleiner Antennen werden elektronisch gesteuert, wobei Signalverarbeitungsalgorithmen den effizientesten Übertragungsweg bestimmen. Dies wird auf „Massive MIMO“ hochskaliert, um einen hohen Datendurchsatz mit effektiver Nutzerverfolgung zu erzielen.

Anbieter zum Thema

zu Matchmaker+

Energiebedarf für 5G steigt deutlich

Flex Power Modules, DC-DC Converter, 5G
Bild 1: Der Leistungsbedarf von Mobilfunkanlagen steigt mit jeder Generation.
© Flex Power Modules

Aufgrund der höheren Leistungsfähigkeit und Komplexität von 5G benötigt ein solches System im Vergleich zu 4G in der Regel doppelt so viel oder mehr Leistung. Eine große Installation verfügt über mehrere Antennen, ältere Funkeinheiten für 2G/3G/4G sowie Steuer- und Datenverarbeitungselektronik, sodass der Gesamtleistungsaufnahme leicht über 10 kW betragen kann (Bild 1). Verbrauchsberechnungen der Telekommunikationsbetreiber sind daher zunehmend ein kritisches Thema.

Die HF-Ausgangsleistung einer einzelnen Antenne reicht von wenigen Milliwatt bis über 100 W für das größte 5G-MIMO-Array. Ein HF-Leistungsverstärker (RFPA; Radio Frequency Power Amplifier) hat bei GHz-Frequenzen aber nur einen Wirkungsgrad von 50 bis 60 Prozent, sodass jeder einzelne Verstärker eine Leistungsaufnahme von mehr als 200 W haben kann. Die erforderlichen Versorgungsschienen bieten 26 bis 32 V für LDMOS-basierte PAs, die bis etwa 4 GHz arbeiten. Der Trend geht daher zu Galliumnitrid-Bauelementen (GaN), die bei höheren Frequenzen eine bessere Effizienz als LDMOS bieten, obwohl sie derzeit für niedrigere Leistungen ausgelegt sind. GaN benötigt 50 bis 60 V für optimale Leistungsfähigkeit.

Bei beiden PA-Techniken stellt ein DC-DC-Wandler diese Spannung bereit, der wiederum über eine batteriegepufferte 48-V-Versorgung gespeist wird. Der RFPA und seine Versorgungen befinden sich an der Antenne, in einem Remote Radio Head (RRH) bzw. der Radio Unit (RU), einem abgedichteten Aluminiumgehäuse, das extremen Temperaturschwankungen standhalten muss. Aus diesem Grund und um Energie zu sparen, müssen die DC-DC-Wandler klein und effizient sein, um eine hohe Leistungsdichte und einen geringen internen Temperaturanstieg zu gewährleisten. Außerdem müssen sie mit passiver Konduktionskühlung arbeiten und auch bei voller Sonneneinstrahlung auf das Gehäuse sowie nachts bei Temperaturen deutlich unter dem Gefrierpunkt zuverlässig arbeiten. Das Gesamtgewicht sowie die Größe sind für eine einfache Installation ebenfalls wichtig. Für diese sollte idealerweise nur ein Techniker erforderlich sein.


  1. Power für die 5G-Infrastruktur
  2. Brick-DC-DC-Wandler für HF-Leistungsverstärker

Das könnte Sie auch interessieren

Verwandte Artikel

Flextronics, Flextronics GmbH

TW Leistungs-HL Januar 22