Elección de los suministros adecuados para alimentar los componentes de la estación base 5G

Las comunicaciones celulares han recorrido un largo camino desde la introducción de las redes celulares analógicas a principios de los 80. Hoy, a medida que el mercado pasa de las soluciones de red 4G a las soluciones de red 5G, la industria de la comunicación celular está sentando las bases para un gran salto en la velocidad de transferencia de datos. , latencia, capacidad, densidad de usuarios y confiabilidad reducidas. Por ejemplo, además de una mejora de 100 veces en las tasas de datos y la capacidad de la red (10x), 5G reduce significativamente la latencia a menos de 1 ms,¹ al tiempo que permite una conectividad casi ubicua para los miles de millones de dispositivos conectados que forman parte del creciente Internet de las cosas (IoT). En la Figura 1 se muestra un transmisor de formación de haces 5G típico que incluye MIMO digital, convertidores de datos, componentes de procesamiento de señales, amplificadores y antenas.²

Alimentación de FPGA

Para obtener todos los beneficios de 5G, los diseñadores necesitan radios de mayor frecuencia para aprovechar el nuevo espectro necesario para satisfacer la demanda futura de capacidad de datos mediante la incorporación de transceptores de microondas/ondas milimétricas más integrados, arreglos de puertas programables en campo (FPGA) y convertidores de datos más rápidos. y amplificadores de potencia (PA) de alto y bajo ruido para celdas más pequeñas. Además, estas celdas 5G también tendrán antenas más integradas para implementar técnicas masivas de múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO) para conexiones confiables. Por lo tanto, se necesita una variedad de fuentes de alimentación modernas para alimentar los componentes de la estación base 5G.

Los FPGA y los procesadores modernos se construyen utilizando procesos avanzados a nanoescala porque a menudo realizan cálculos a velocidades rápidas utilizando voltajes bajos (<0,9 V) a alta corriente desde paquetes compactos. Además, los FPGA de próxima generación requieren voltajes de núcleo más bajos para mejorar en gran medida las velocidades de cómputo y requieren voltajes más altos para las interfaces de E/S, y requieren rieles adicionales para la memoria DDR.^3,4,5 Básicamente, un solo FPGA requiere múltiples voltajes con tolerancias estrictas y diferentes valores nominales de corriente para un funcionamiento óptimo. Además, para evitar daños, estos rieles de voltaje deben secuenciarse correctamente. Estos estrictos requisitos se pueden cumplir con fuentes de alimentación construidas con las últimas tecnologías de semiconductores combinadas con excelentes topologías de circuitos y técnicas de empaquetado avanzadas. Sin embargo, si un diseñador hace un mal uso de la solución de administración de energía correcta, los riesgos van desde ineficiencias hasta dificultades térmicas y otros problemas de rendimiento no deseados.

Alimentación silenciosa de convertidores de datos de alta velocidad

De manera similar, los convertidores de datos de precisión de operación más rápida, como los convertidores de analógico a digital (ADC) y los convertidores de digital a analógico (DAC), requieren múltiples rieles de alimentación, como 1.3 V, 2.5 V y 3.3 V, con muy alto rieles de energía. Bajo nivel de ruido y ondulación de CC.⁶ Estos ADC y DAC de alta velocidad generalmente se colocan en placas de circuito impreso (PCB) abarrotadas con espacio limitado. Por lo tanto, la sensibilidad de la fuente de alimentación ADC y DAC debe ser una consideración clave al diseñar el sistema de fuente de alimentación para estos convertidores de datos de alta velocidad.

Al combinar las ventajas de las tecnologías avanzadas de semiconductores y empaquetado, el µModule de ADI^® Interruptor silencioso^® Los controladores pueden resolver fácilmente este problema, cumpliendo con los requisitos de eficiencia, densidad y ruido de los convertidores de datos de alta velocidad. Un buen ejemplo es Silent Switcher LTM8065, que puede proporcionar una solución más silenciosa, compacta y eficiente para alimentar estos dispositivos. A diferencia de una solución discreta tradicional, el LTM8065 puede reducir significativamente la cantidad de componentes y el espacio de la placa de alimentación sin afectar el rendimiento dinámico del convertidor de datos. Un solo paquete BGA compatible con RoHS integra un controlador de interruptor, interruptores de alimentación, inductor y todos los componentes de soporte.

En algunos casos, para optimizar el rendimiento de la tasa de rechazo de la fuente de alimentación (PSRR), se utilizan reguladores lineales en la ruta de la fuente de alimentación, después de un regulador de conmutación. El ADP7118 es uno de esos reguladores lineales de bajo nivel de ruido y caída (LDO) que puede manejar una amplia gama de voltajes de entrada con alta precisión de salida, bajo nivel de ruido y alto PSRR, así como una excelente respuesta transitoria de línea y carga. Sin embargo, hay muchos otros en esta línea de productos y se pueden seleccionar correctamente utilizando herramientas de software ADI como LTpowerCAD y LTspice.^®

Administración de energía de PA y transceptor

Estas radios de próxima generación que incorporan transceptores integrados y sistemas de megafonía de microondas/ondas milimétricas de alta potencia y bajo ruido con un ancho de banda más amplio están equipadas con sistemas de gestión y control digital, que requieren el uso de varias tecnologías de energía especializadas. Por ejemplo, los PA basados ​​en nitruro de galio (GaN) de bajo ruido y alta potencia requerirán voltajes de 28 V a 50 V, mientras que los ADC y DAC de control basados ​​en FPGA requerirán varios voltajes más bajos para la secuenciación, el monitoreo y la protección.^7.8 Los convertidores CC-CC modernos pueden ofrecer la eficiencia (> 90 %), la densidad de potencia, el bajo nivel de ruido y el control que requieren estos puntos de acceso 5G.

Con una enorme presión para ofrecer productos de próxima generación (5G) que superen a la generación anterior (4G), hay poco espacio para el compromiso. Por lo tanto, una empresa como ADI, que se especializa en todos los aspectos de la cadena de RF de la estación base y tiene un conocimiento profundo de las herramientas de administración de energía necesarias para impulsar estas aplicaciones, puede proporcionar los recursos de energía adecuados para los transceptores y puntos de acceso 5G de hoy. Ofreciendo la cartera más amplia de productos Power by Linear de alto rendimiento en la industria^™ productos desde módulos convertidores de CC-CC de alta eficiencia y alta densidad hasta circuitos integrados de administración de energía (PMIC) y controladores lineales de ruido ultrabajo, que incluyen secuenciación, monitoreo y protección de energía, ADI permite un enfoque más holístico para alimentar el 5G Cadena de señal.

Los servicios µRegulators y Silent Switcher del módulo ADI son soluciones completas de sistemas de energía que pueden proporcionar voltaje preciso con la mayor eficiencia (> 95 %) y densidad de potencia desde un paquete pequeño con alta confiabilidad y la EMI y el ruido más bajos. Estas soluciones están diseñadas específicamente para alimentar sistemas de RF de alto rendimiento con la mayor densidad y eficiencia de conversión de potencia sin ruido ni interferencia con la señal de radio de interés, asegurando el mejor rendimiento de estos PA RF y otros circuitos de RF del mismo.

Asimismo, para abordar los desafíos de la secuenciación de la fuente de alimentación en circuitos que requieren múltiples rieles, ADI ha creado una familia de secuenciadores que van desde la secuenciación de fuente de alimentación dual (ADM6819/ADM6820) hasta la secuenciación de 17 canales (ADM1266). Para garantizar que un sistema funcione de manera correcta, eficiente y segura, es fundamental monitorear el voltaje, la corriente o la temperatura del dispositivo. Para ello, ADI ofrece repuestos como el LTC2990.

Final

En resumen, la cartera de productos Power by Linear de ADI incluye controladores LDO de bajo ruido, µModules convertidores de CC a CC de rieles múltiples altamente integrados, tecnología Silent Switcher y otros circuitos integrados de administración de energía, incluidos secuenciadores de energía, monitores y circuitos de protección. todo lo cual permite a ADI ofrecer la gama más amplia de productos de energía en la industria. Incluye todo lo necesario para alimentar los componentes de la estación base 5G, incluidas las herramientas de diseño y simulación de software como LTpowerCAD y LTspice. Estas herramientas simplifican la tarea de elegir las soluciones de administración de energía adecuadas para estos dispositivos y, por lo tanto, brindan una solución de energía óptima para los componentes de la estación base 5G.

Referencias

¹ Parque Kyung Min. "Cómo 5G reduce la latencia de transmisión de datos.” Red EDN14 de mayo de 2018.

² Tomás Cameron. "5G: la perspectiva del microondas". Analog Devices, Inc., diciembre de 2015.

³ Nathan Enger. "Mantenimiento y alimentación de fuentes de alimentación FPGA: una guía práctica y razones para el éxito". Diálogo analógiconoviembre de 2018.

⁴ Federico Dostal. msgstr "Administración de energía para FPGA". Diálogo analógicomarzo de 2018.

⁵ Afshin Odabaee. "Alimentación de los FPGA Arria 10 y los SoC Arria 10 de Altera: Soluciones de administración de energía probadas y verificadas". dispositivos analógicos, inc.

⁶ Aldrick Limjoco, Patrick Pasaquian y Jefferson Eco. "Conmutación silenciosa del módulo de potencia de muestreo GSPS ADC en Half-Space". Dispositivos analógicos, Inc., octubre de 2018.

^Siete David Bennett y Richard DiAngelo. "Administración de energía de amplificadores de potencia GaN MMIC para radar pulsado". Dispositivos analógicos, Inc., octubre de 2017.

⁸ Keith Benson. "GaN rompe barreras: los amplificadores de potencia de RF se amplían y se elevan". Diálogo analógicoseptiembre de 2017.