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GaN y SMD pueden saciar el hambre energética del 5G

Para Francesco Di Domenico, ingeniero de Infineon Technologies, el Nitruro de Galio (GaN) y los encapsulados SMD tienen la capacidad de resolver los requerimientos de energía que demandará la próxima generación de comunicaciones.

ElectronicosOnline.com Magazine / Oswaldo Barajas

Elevar la potencia y desempeño de un sistema es el resultado casi siempre de emplear mayores recursos de alimentación de energía, lo que en términos más terrenales significa inyectarle más electricidad para mantener dicho sistema, misma analogía que define el perfil energético de la siguiente generación de comunicaciones 5G.

 

En datos de Francesco Di Domenico, ingeniero de aplicaciones de Infineon Technologies, la promoción de esta nueva tecnología es ansiosamente esperada por cada vez más consumidores que desean experimentar los beneficios como un mayor ancho de banda, una menor latencia en la transmisión y una variedad de servicios de mayor calidad y novedosos que con la actual tecnología LTE no es viable.

Pero todo tiene un costo, y en el caso de las comunicaciones 5G las grandes ventajas requerirán que los sistemas que trabajen con este protocolo devoren literalmente la energía, hasta un 70% más que lo que los sistemas 4G consumen, según estiman analistas de la industria. Por ejemplo, una estación base de 4G consume alrededor de 7 kW de potencia, mientras que una estación base de 5G necesitará más de 11 kW. Para un sitio que lleva múltiples canales, esto podría alcanzar los 20 kW.

Consumo de energía de un sistema 5G. (Fuente: Huawei Technologies).

 

“Una de las razones de esto es la propia topología de la red; el uso de antenas MIMO (Múltiples Entradas – Múltiples Salidas) verá un incremento igualmente masivo en el número de transceptores utilizados. La terminología utilizada aquí es 64T64R (64 transmiten y 64 reciben); compare esto con una estación base 4G que típicamente usaba 4T4R y se hace evidente dónde se está aplicando la potencia extra”, menciona Di Domenico en su documento.

El especialista argumentó que incluso algunos operadores ya consideran la posibilidad de reducir el número de transceptores de 32T32R a 16T16 para mitigar el aumento constante de consumo energético, sacrificando así la capacidad de su propia red.

“Se ha mencionado que el 5G requerirá más estaciones base que las redes anteriores, en gran parte porque un mayor ancho de banda requiere una mayor capacidad, pero también porque las longitudes de onda utilizadas en 5G tienen distancias de propagación más cortas. Esto requerirá colocar estaciones base en nuevos lugares y, a fin de proporcionar un amplio nivel de cobertura, esto incluirá sitios tanto en zonas urbanas como en lugares rurales y remotos. En ambos casos, el costo de acceso físico a la energía será considerable, lo que elevará los precios de explotación”, comentó Francesco.

SMPS en el ecosistema 5G.

 

El documento refiere que dentro de la infraestructura de red 5G, más allá del consumo de las propias estaciones base, en los extremos también existirán nodos que incrementarán sus requerimientos, y si se toma como antecedente que la actual red 4G cuenta con algunas equivalencias, dejar algunas piezas para trabajar con la 5G puede que resulte en restricciones de energía dejando fuera de la alimentación a los bloques del nuevo protocolo y sosteniendo solamente a las 4G.

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“Entregar el doble de energía a estas estaciones puede ser insostenible, ya sea porque la infraestructura del proveedor es simplemente incapaz de soportar el aumento de energía, o porque el costo de hacerlo lo hace comercialmente imposible”, agregó Francesco.

A la vista Nitruro de Galio (GaN) y encapsulados SMD

La preocupación de la cantidad de energía que requerirá la red 5G estriba en la cantidad de hardware adicional que se necesitará para mantener activa toda la topología de comunicaciones. Aunado a esto, los servicios que sean ofrecidos por las operadoras como parte de la nueva tecnología serán más pesados y utilizarán cantidades más grandes de ancho de banda, lo que a su vez dependerá de una robusta potencia de cómputo para administrar todos esos servicios.

“La única forma de abordar este desafío de diseño es aumentar la eficiencia en las etapas de conversión de energía, entregando así una mayor salida en el mismo ‘footprint’, sin el correspondiente incremento del 70% en la potencia de entrada. Dos tecnologías lo hacen posible: el encapsulamiento SMD y el Nitruro de Galio (GaN)”, comentó Di Domenico.

En primer lugar, el SMD, o encapsulamiento para dispositivos de montaje superficial, proporciona un espacio más pequeño para los sistemas integrados. Más importante aún, y como su nombre lo indica, estos dispositivos se montan en la superficie de una placa de circuito impreso, a diferencia de los dispositivos con agujeros (THD), que se montan a través de la placa de circuito impreso mediante agujeros y patillas chapadas.

El GaN puede suministrar densidades más altas de energía y mayor conversión de eficiencia.

 

“En general, el SMD proporciona un aumento instantáneo de la densidad de funciones, ya que los encapsulados son más pequeños que sus homólogos de THD. Sin embargo, en lo que respecta a los semiconductores de potencia, pasar de THD a SMD sin tomar en cuenta la eficiencia del dispositivo dará lugar a una mayor densidad de calor”, señaló Francesco.

En el caso de las topologías de conversión, el documento afirma que la energía basada en MOSFETs ha alcanzado niveles de eficiencia en la región de hasta un 98%, dejando poco margen para mejoras adicionales.

Pero los transistores de potencia basados en tecnologías de banda ancha como el carburo de silicio (SiC) y el nitruro de galio (GaN) son intrínsecamente más eficientes que los MOSFETs, lo que los convierte en el complemento perfecto para el empaquetado SMD.

Implementar GaN sobre SMD tiene propiedades físicas que lo hacen mejor que el silicio en la conmutación de alta potencia a altas frecuencias. El documento de Infineon señala que esto incluye una menor resistencia de encendido pero, quizás más importante, pérdidas de conmutación significativamente menores, lo que permite al convertidor de potencia operar a frecuencias de conmutación más altas.

Si reparamos sobre los beneficios directos que tiene el GaN sobre el SMD, podemos concluir que se pueden simplificar los componentes magnéticos discretos necesarios para soportar una topología de fuente de alimentación conmutada. Esto, a su vez, puede dar como resultado una solución global más simple y, en consecuencia, una mayor densidad de potencia. Lo más importante es que la mayor eficiencia inherente al GaN significa que la densidad de calor no aumenta y, en la mayoría de los casos, disminuye.

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