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Kompakte Stromversorgungen für Smart-Cell-Stationen im 5G Netz

In der 5G-Infrastrukur sind platzsparendes und lüfterloses Design unabdingbar. Gleichzeitig sind die 5G-Stationen extremen Umgebungstemperaturen ausgesetzt. Innovative Lösungen bieten Designs auf Basis von AC/DC-Bricks.

Der Mobilfunkstandard 5G ist die Basis für die zunehmende Digitalisierung unserer Welt. Ob „Internet of Things”, Industrie 4.0, eHealth, smarte Energieversorgung, intelligente Verkehrssysteme oder autonomes Fahren — all diese Konzepte sind auf schnelle Funkverbindungen mit hohen Datenraten in Echtzeit angewiesen. Das für 5G genutzte Frequenzspektrum befindet sich zu einem überwiegenden Teil im Bereich der Millimeterwellen, von circa 24 GHz bis rund 300 GHz. Nur dort findet sich noch genügend ungenutzte Bandbreite, um die Vielzahl der Geräte des IoT miteinander zu verknüpfen.

Allerdings sind diese Millimeterwellen sehr empfindlich, was ihre Ausbreitungsbedingungen betrifft. Sie können keine Wände oder organisches Material wie etwa Bäume durchdringen und sogar schon Regen kann ihre Übertragung beeinträchtigen. Zudem sind sie anfällig für Interferenzen und Abschirmungen. Für eine gleichmäßige Abdeckung wird daher besonders im städtischen Bereich eine Vielzahl von kleinen Sendestationen benötigt. Dieses Konzept des „Smart Cell Networks” hat den Vorteil, dass sich die Teilnehmer meist relativ nah einer Basisstation befinden und daher nur eine geringe Sendeleistung benötigen. Andererseits müssen diese Basisstationen aber auch alle mit elektrischer Energie versorgt werden.

Netzabdeckung im DIN-A4-Format

Die Basisstationen für das „5G Open RAN” (Radio Access Network) sind in der Regel im Freien, in unmittelbarer Nähe der Antennen am gleichen Mast montiert. Daher stecken sie in kompakten Gehäusen die nicht größer als ein DIN-A4-Blatt und inklusive Montageplatte knapp 77 mm dick sind (siehe Abb. 1). Unmittelbar der Witterung ausgesetzt, müssen diese Behälter dicht verschlossen sein und die Komponenten in ihrem Inneren extreme Temperaturschwankungen aushalten können.

Konventionelle Wechselstromnetzteile in Open-Frame-Bauweise, wie sie etwa in den Makro-Stationen des 4G-Netzes zum Einsatz kommen, scheiden daher als Stromversorger aus. Sie sind meist auf eine aktive Belüftung zur Abfuhr der Verlustwärme angewiesen. Diese ist aber wegen der geschlossenen Bauweise der Basisstationen nicht zu realisieren. Der Einbau mit einer passiven Konduktionskühlung, etwa durch Heat Pipes, scheitert an der Bauhöhe dieser Geräte, die zwischen einem und 1,5" liegen kann. Gefragt sind also Netzteile, die sehr kompakt sind, ihre Verlustwärme ohne Lüfter abführen und extreme Temperaturschwankungen mit extremer Hitze im Sommer wie auch klirrender Kälte im Winter aushalten. Sie sollten über einen hohen Wirkungsgrad verfügen, keine elektromagnetische Interferenzen erzeugen und ihrerseits nicht durch elektromagnetische Felder gestört werden können.

Abb. 1: In den 5G-Sende- und Empfangseinheiten ist wenig Platz für die Stromversorgung

Kompakte Netzteil-Module im Full-Brick-Format

Für solche Anwendungsfälle hat EMTRON electronic GmbH nun die PDF700S-Serie des taiwanesischen Stromversorgungsspezialisten Cincon im Programm. Wie die erfolgreichen DC-DC-Brick-Wandler vom gleichen Hersteller stecken auch diese Wechselstromnetzteile vollgekapselt im kompakten Brick-Gehäuse. Mit einer Grundfläche von 116,8 x 61,0 mm und einer Höhe von lediglich 12,7 mm lassen sie sich direkt unter die Platine der Sende- und Empfangseinheit einer 5G-Basistation montieren. Entwickler können extern benötigte Filterelemente oder Elektrolytkondensatoren selbst wählen und haben so maximale Flexibilität bei der Konfiguration (Beispielkonfiguration siehe Abb. 2). 

Das 700 W starke AC/DC-Leistungsmodul ist per Remote ON/OFF-Funktion aus der Ferne ein- und ausschaltbar. Es kann mit Wechselspannungen von 90 bis 264 V AC gespeist werden. Dank der Leistungsfaktorkorrektur (PFC) ist die Eingangsscheinleistung auf ein Minimum beschränkt. Der Wirkungsgrad liegt je nach Konfiguration zwischen 87,5 und 91,5 %. Dadurch fällt nur eine geringe Verlustwärme an. Diese kann lüfterlos über einen externen Kühlkörper oder direkt an das Systemgehäuse abgeführt werden. Im Test mit einem 400 x 400 mm großen Kühlkörper hat sich gezeigt, dass nach vier Stunden Betrieb bei 25° C Raumtemperatur die wärmste Stelle der Grundplatte kühler als 70° C geblieben ist. Die Module verrichten ihren Dienst bei Betriebstemperaturen von -40° C bis 100° C. Darüber hinaus schalten sie sich selbstständig aus. Auch sind Schutzfunktionen gegen Überspannungen, Überlast und Kurzschluss bereits integriert. Ihre maximale Einsatzhöhe liegt bei 5.000 m, die Luftfeuchtigkeit darf bis zu 93 % RH betragen.

Abb. 2: Nur 0.5" hoch passen die Module der PDF700S-Serie platzsparend unter die Platinen der versorgten Einheiten

Selbstverständlich erfüllen die PDF700S-Module die strengen Vorgaben für Telekommunikationseinrichtungen, insbesondere was die Vermeidung von elektromagnetischer Interferenzen angeht. Ihre EMC-Emissionen liegen, bei Installation mit externen Filterelementen gemäß Applikationsnote von Cincon, innerhalb der Grenzen von Class A der EN 55032. So erreichen sie außerdem eine EMC-Festigkeit gemäß EN 55035. Zertifiziert sind die Module nach EN/UL 62368-1.

Für das erste Quartal nächsten Jahres hat der Hersteller zudem weitere Varianten der PDF700-Serie angekündigt. So wird es ein Modul mit Parallelschaltung und eine Stand-alone-Lösung inklusive EMI-Filtern undweiteren extern benötigten Komponenten geben.

Neben der PDF700S-Serie bietet Cincon weitere AC/DC-Stromversorgungen und DC/DC-Wandlern an, die für 5G-Anwendungen geeignet sind. Ihre gemeinsamen Merkmale sind passive Grundplattenkühlung, hohe Wirkungsgrade sowie ein weiter Bereich an Eingangsspannungen. Dank der Wahl zwischen Einzelmodulen oder Stand-alone-Lösungen finden Entwickler hier die beste Stromversorgungslösung für ihre Anwendung.

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