Analog Devices Stromversorgung für anspruchsvollste Anwendungen

Ein typischer 5G-Sender mit Strahlformung setzt auf Massive-MIMO-Technik (Multiple-Input, Mulitple-Output: Mehrantennenverfahren) und umfasst Datenwandler, Signalverarbeitungskomponenten, Verstärker und Antennen.
Ein typischer 5G-Sender mit Strahlformung setzt auf Massive-MIMO-Technik (Multiple-Input, Mulitple-Output: Mehrantennenverfahren) und umfasst Datenwandler, Signalverarbeitungskomponenten, Verstärker und Antennen.

5G stellt höchste Anforderungen an die Stromversorgung, werden in diesen Systemen doch modernste Halbleiter eingesetzt, viele davon mit unterschiedlichsten Ansprüchen. Analog Devices hilft Entwicklern mit seinem Produktspektrum, seiner Software und seinen Tools diese Aufgabe zu meistern.

Mit dem Wechsel auf 5G macht die Mobilkommunikation einen Riesenschritt nach vorn. Egal ob es um Übertragungsgeschwindigkeit, Latenzzeit, Kapazität, Nutzerdichte und Zuverlässigkeit geht, in allen Punkten kann 5G punkten. Denn im Vergleich zu 4G (LTE) erhöht sich die Datenrate um den Faktor 100, die Netzkapazität um den Faktor 10. 5G verkürzt außerdem die Latenzzeiten auf unter 1 ms, während der Standard gleichzeitig für Milliarden von verbundenen Geräten im IoT eine nahezu allgegenwärtige Verbindung ermöglicht.

Um die Vorteile von 5G voll ausschöpfen zu können, brauchen Entwickler Funksysteme mit höheren Frequenzen, denn nur so können sie sich das neue Spektrum zunutze machen, das benötigt wird, um den zukünftigen Bedarf an Datenkapazität zu decken. Dafür sind aber mehr integrierte Mikrowellen-/Millimeterwellen-Transceiver, FPGAs, schnellere Datenwandler und leistungsstarke, rauscharme Leistungsverstärker (PAs) notwendig, die in kleinere Zellen integriert werden. Zusätzlich werden diese 5G-Zellen auch noch stärker integrierte Antennen beinhalten, um die MIMO-Technik für zuverlässige Verbindungen zu nutzen. Das heißt aber auch: Für die Versorgung der Komponenten in 5G-Basisstationen ist eine Vielzahl modernster Stromversorgungen erforderlich.

Moderne FPGAs und Prozessoren werden mithilfe von nm-Prozesstechnologien gefertigt, damit sie Berechnungen mit hohen Geschwindigkeiten und niedrigen Spannungen (<0,9 V) bei hohem Strom in kompakten Gehäusen durchführen können. Darüber hinaus benötigen FPGAs der neuen Generation niedrigere Kernspannungen, um die Rechengeschwindigkeiten deutlich zu erhöhen, während sie gleichzeitig höhere Spannungen für die I/O-Schnittstellen und eine zusätzliche Schiene für den DDR-Speicher benötigen. Im Grunde genommen benötigt also ein einzelnes FPGA für einen optimalen Betrieb mehrere Spannungen in engen Toleranzen und unterschiedliche Nennströme. Hinzu kommt noch, dass diese Spannungsschienen in der richtigen Reihenfolge auf- und abgeschaltet werden müssen, um eine Beschädigung des Bausteins zu verhindern.

Solch hohe Anforderungen können von Stromversorgungen erfüllt werden, die Bausteine nutzen, die nicht nur mit den neuesten Halbleitertechnologien gefertigt werden, sondern auch modernste Schaltungstopologien und fortschrittliche Gehäusetechniken nutzen. Aber: Sollte ein Designer die richtige Power-Management-Komponente falsch einsetzen, ergeben sich trotzdem zahlreiche Risiken, angefangen bei einem schlechten Wirkungsgrad über thermische Probleme bis hin zu anderen unerwünschten leistungsbezogenen Schwierigkeiten.

Die Versorgung
von Hochgeschwindigkeits-Datenwandlern

Auch genaue, hochschnelle Datenwandler (A/D-Wandler/ADCs und D/A-Wandler/DACs) benötigen mehrere Spannungsschienen, wie 1,3 V, 2,5 V und 3,3 V. Außerdem müssen sich diese Wandler durch ein sehr geringes Rauschen und eine niedrige Gleichstromwelligkeit auszeichnen. Normalerweise sitzen diese schnellen ADCs und DACs auf überfüllten Leiterplatten mit begrenztem Platz. Daher muss die Empfindlichkeit der Stromversorgung von ADC und DAC bei der Auslegung des Stromversorgungssystems für diese Hochgeschwindigkeits-Datenwandler im Vordergrund stehen.