Assicurare la rete di comunicazione

Jun 15, 2023

Secondo la GSMA, l’implementazione del 5G è ormai ben avviata, con la copertura prevista per un terzo della popolazione mondiale entro il 2025. I principali produttori di telefoni cellulari hanno lanciato telefoni abilitati al 5G, che soddisferanno coloro che desiderano trasmettere in streaming dati e video fino alla velocità massima teorica di 50 Gb/s, e si prevede che gli abbonamenti 5G in tutto il mondo raggiungeranno 1,3 miliardi entro il 2023, secondo Statista. Tuttavia, il 5G è molto più che smartphone più veloci: è alla base della tecnologia alla base dell’intelligenza artificiale, del cloud computing, dei veicoli autonomi, dell’Internet delle cose (IoT), delle città e dell’industria intelligenti e probabilmente di altre applicazioni ancora inimmaginabili. Di conseguenza, gli investimenti nella nuova infrastruttura 5G saranno elevati e gli operatori di rete cercheranno il ritorno più rapido possibile su quelli che secondo Statista saranno 1,4 trilioni di dollari spesi per servizi di telecomunicazioni nel solo 2021.

L’infrastruttura 5G non è semplicemente un aggiornamento al 4G per sua natura, al massimo delle prestazioni, il 5G utilizza frequenze più elevate e la copertura è inferiore, quindi sono necessarie più celle. Sono disponibili tre bande: bassa, media e alta, con la maggior parte delle installazioni che utilizzano la banda media a 2,5 – 3,7 GHz, a velocità fino a 900 Mb/s. La banda bassa utilizza frequenze simili al 4G con portata e copertura simili, quindi offre pochi vantaggi aggiuntivi ma può essere utilizzata in aree a basso traffico per ottenere rapidamente una copertura semplice ma ampia. La banda alta, che alla fine funziona a oltre 70 GHz, offre le velocità dati più elevate, ma la copertura è molto limitata, forse 1,5 km, quindi è preferita per aree pubbliche come arene, mercati e centri congressi. Il traffico in queste località può essere elevato, ma le stazioni base possono essere piccole e distribuite in un'area ristretta con tecniche di "beamforming" per fornire una buona copertura.

Le celle pertanto rientrano nelle categorie di copertura "metro", "micro", "pico" e "femto" con uscite di potenza e portata ridotte, da una cella metropolitana MIMO (Multiple Input Multiple Output) che trasmette oltre 100 W a una cella femto che funziona a milliwatt livelli. Il termine "piccola cellula" viene utilizzato anche per le tre categorie più piccole insieme. Con l’aumento della velocità di trasmissione e del numero di stazioni base, il consumo energetico è destinato ad aumentare complessivamente, e alcuni rapporti prevedono un raddoppio rispetto al 4G. Poiché l'energia rappresenta un costo importante per gli operatori di rete (dal 5% al ​​6% con 4G secondo MTN Consulting), vi è una forte pressione per aumentare l'efficienza di tutti gli elementi dell'elettronica delle stazioni base.

Uno stadio particolarmente inefficiente in una stazione base è l'amplificatore di potenza RF, che tradizionalmente utilizza dispositivi LDMOS in grado di generare kW fino a pochi GHz. Tuttavia, alla ricerca di una migliore efficienza alle frequenze più elevate del 5G, vengono sempre più utilizzati dispositivi al nitruro di gallio (GaN) che si adattano alle installazioni a celle piccole a potenza inferiore/volume maggiore. LDMOS è generalmente alimentato da rail da 26-32 V CC mentre GaN utilizza 50-60 V. L'efficienza di un PA RF non è ancora elevata, intorno al 60% massimo, quindi ogni watt risparmiato nella generazione dei canali di alimentazione da un sistema di alimentazione a batteria, forse a 48 V, è prezioso.

La serie RPA150E è un convertitore DC/DC adatto per uno stadio amplificatore di potenza 5G. È isolato galvanicamente, quindi la tensione di ingresso può essere una tipica alimentazione per telecomunicazioni da -48 V CC o -24 V CC mentre l'uscita è positiva rispetto a terra. L'RPA50E è in grado di fornire 150 W in modo continuo e fino a 200 W di potenza di picco per alimentare gli amplificatori di potenza RF in uscita e la tensione di uscita nominale può essere regolata del ±20% per fornire la tensione di alimentazione ottimale per la massima efficienza. Il formato mattone da 1/8 ha un ingombro molto ridotto per la potenza nominale e il raffreddamento della piastra base consente il funzionamento ad alta temperatura senza declassamento.

Una caratteristica importante dei convertitori DC/DC nelle applicazioni 5G è quella di avere un basso assorbimento di potenza quiescente e la possibilità di essere impostati in una modalità di spegnimento a basso consumo. A differenza del 4G, che trasmette continuamente informazioni di sistema e segnali di sincronizzazione/riferimento anche in assenza di traffico di utenti, il 5G ha definito modalità avanzate di “sleep” (ASM) utilizzate per ridurre al minimo il consumo energetico medio. Il risparmio energetico viene scambiato con la latenza, ma i guadagni di circa il 50% sono estremamente interessanti. È quindi importante disporre di funzionalità di spegnimento a bassa potenza nei convertitori CC/CC del sistema. L'RPA150E è ideale anche per l'uso con alimentatori a batteria, avendo un'efficienza di conversione >91% e un consumo in standby di soli 3 mA.