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什么是模塊電源？其將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，再將直流電轉(zhuǎn)為 48V、12V、5V、3.3V 及以下的不同大小的直流電壓輸出，為設(shè)備、內(nèi)部單板、芯片等各個(gè)部件供電。不言而喻，模塊電源是一切電子設(shè)備的基礎(chǔ)。沒有它，通信設(shè)備、IT 設(shè)備、終端都無法運(yùn)行。沒有它，不管是如今的移動互聯(lián)生活，還是未來萬物智聯(lián)時(shí)代，都無從談起。
如今，隨著千行百業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型與智能社會的到來，海量數(shù)據(jù)傳輸和處理對 ICT 設(shè)備的功耗要求越來越高，對模塊電源的性能與效率要求也隨之提高。那未來模塊電源將迎來怎樣的發(fā)展趨勢？2021 年 1 月 22 日，華為數(shù)字能源發(fā)布模塊電源未來趨勢。
兩大趨勢呼喚模塊電源變革創(chuàng)新
當(dāng)前，以 5G、數(shù)據(jù)中心、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等為代表的新基建正推動各行各業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，加速萬物互聯(lián)的智能社會到來。這場數(shù)字化變革下，海量終端產(chǎn)生的數(shù)據(jù)將爆炸式增長，為了傳輸和處理這些數(shù)據(jù)，各行各業(yè)都面臨著功耗挑戰(zhàn)，比如 5G 網(wǎng)絡(luò)整體功耗相對 4G 將翻倍，數(shù)據(jù)中心隨著算力大幅提升功耗也隨之翻倍。
分析數(shù)據(jù)顯示，預(yù)計(jì)到 2025 年，全球通信站點(diǎn)數(shù)量將增至 7000 萬個(gè)，年耗電量超過 6700 億度；數(shù)據(jù)中心將增至 2400 萬機(jī)架，年耗電量超過 9500 億度；泛工業(yè)場景，僅軌道交通、工業(yè)制造行業(yè)年耗電量將超過 16 萬億度；智能終端數(shù)達(dá) 400 億部，年耗電量也將高達(dá) 2100 億度。數(shù)字化轉(zhuǎn)型和萬物智聯(lián)給社會帶來的能耗壓力將越來越大。
與此同時(shí)，節(jié)能減排已成為全球發(fā)展主題，一場能源革命已在全球范圍內(nèi)掀起。比如，為節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境，我國已提出 2030 年前達(dá)到碳達(dá)峰，2060 年實(shí)現(xiàn)碳中和，日韓也提出了在 2050 實(shí)現(xiàn)碳中和。未來，包括 IT 領(lǐng)域、通信領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域、以及消費(fèi)電子領(lǐng)域的各行各業(yè)必將會越來越重視綠色發(fā)電、高效地用電。
基于以上兩大背景，華為發(fā)布了模塊電源的六大發(fā)展趨勢，助力全行業(yè)數(shù)字化升級。
模塊電源六大發(fā)展新趨勢
華為數(shù)字能源產(chǎn)品線副總裁兼模塊電源領(lǐng)域總裁秦真指出，在千行百業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型以及全球能源變革的大背景下，模塊電源將向“數(shù)字化”，“小型化”，“芯片化”，“全鏈路高效”，“超級快充”，“安全可信”六大趨勢發(fā)展。
數(shù)字化
傳統(tǒng)電源都是采用模擬控制技術(shù)的“啞設(shè)備”，不知道其內(nèi)部工作狀態(tài)，也無法預(yù)測其使用壽命，只有設(shè)備發(fā)生故障后，才知道電源出問題了，這使得管理和運(yùn)維工作非常被動。而能源數(shù)字化通過部件級、設(shè)備級和網(wǎng)絡(luò)級數(shù)字化，可實(shí)現(xiàn)電源可視，可管，可優(yōu)，壽命可預(yù)測。
一方面，設(shè)備部件采用全數(shù)字控制，可與負(fù)載聯(lián)動節(jié)能、調(diào)優(yōu)，在線升級，以及實(shí)時(shí)上報(bào)工作狀態(tài)和故障；另一方面，通過網(wǎng)絡(luò)連接云端，可在云端就能看到電源內(nèi)部的電壓、電流、頻率等工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視可管、設(shè)備可視可控，同時(shí)，通過引入 AI 還能精準(zhǔn)的預(yù)測電源故障和壽命，以及提升整個(gè)電源系統(tǒng)的效率。
小型化
隨著數(shù)據(jù)量倍增，功耗及算力持續(xù)提升，電源的高密小型化已是必然趨勢。尤其是隨著近幾年數(shù)字化電源發(fā)展，預(yù)計(jì)高密化發(fā)展趨勢會更加迅猛。當(dāng)前服務(wù)器電源的功率密度約為每立方英寸 100W 左右，預(yù)計(jì)到三五年之后這個(gè)值將會翻一番，達(dá)到 200W 以上；二次模塊目前為每立方英寸 300W 左右，三五年之后預(yù)計(jì)將達(dá)到 600W 以上。
那如何實(shí)現(xiàn)電源的高密小型化？主要有高頻、器件集成、3D 布局等技術(shù)，比如將工作頻率提高到 MHz 級，通過磁集成技術(shù)和 3D 布局設(shè)計(jì)來節(jié)省空間和提升效率，同時(shí) MOS 管也將向包括碳化硅、氮化鎵等化合物半導(dǎo)體材料發(fā)展。
芯片化
電源芯片化，指基于半導(dǎo)體封裝技術(shù)和高頻集成技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)電源 PSiP（Power Supply in Package）化。電源模塊將逐漸由原來的 PCBA 形態(tài)向塑封形態(tài)演進(jìn)，并從獨(dú)立硬件向軟硬件耦合的方向發(fā)展。簡單的講，電源芯片化使得傳統(tǒng)電源就像現(xiàn)在的芯片一樣塑封，肉眼看不到任何電阻、電容、電感、MOS 管等傳統(tǒng)功率器件，也省去了單板調(diào)測環(huán)節(jié)，不僅功率密度可提升約 2.3 倍，而且可以提升可靠性及環(huán)境適應(yīng)能力。
全鏈路高效
當(dāng)電源各部件的效率做到極致后，如何進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能？電子設(shè)備的供電鏈路是包括了從發(fā)電到輸電，再到設(shè)備內(nèi)部的一次、二次、三次電源轉(zhuǎn)換的端到端架構(gòu)。通過重構(gòu)端到端架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)從部件到設(shè)備再到網(wǎng)絡(luò)的全鏈路高效節(jié)能，是另一大發(fā)展趨勢。比如，通過數(shù)字電源供電架構(gòu)實(shí)現(xiàn)模塊靈活組合，智能匹配負(fù)載；通過服務(wù)器電源雙輸入架構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單輸入供電模式來實(shí)現(xiàn)高效供電。再比如，目前大多數(shù)廠家只關(guān)注一次電源，二次電源的效率，卻忽略了板載電源“最后一厘米”的供電效率，而華為不僅提升了前兩級電源的能效，還通過先進(jìn)的碳化硅、氮化鎵材料，以及基于數(shù)字化模型的自定義 IC 與封裝、拓?fù)渑c器件強(qiáng)耦合設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提升了板載電源的效率。
超級快充
手機(jī)不充滿電就不出門，看到電量只剩一格，你一定會惴惴不安，趕緊去充電?，F(xiàn)代人都集體患了一種病，叫“低電量焦慮癥”。如今各種智能終端已成為我們生活和工作不可或缺的一部分，但隨著直播、游戲、視頻等應(yīng)用越來越普及，終端的耗電量隨之加大，電池續(xù)航短板越來越突出，人們的“低電量焦慮癥”也越來越嚴(yán)重。
如何治愈？華為率先提出了“2+N+X”概念，即將有線、無線兩種快充技術(shù)集成到 N 類產(chǎn)品（比如插排、墻插、臺燈、咖啡機(jī)、跑步機(jī)等），應(yīng)用于 X 種場景（比如家居、酒店、辦公、車內(nèi)等），以后用戶出行不需要再隨身攜帶充電器、充電寶等，真正實(shí)現(xiàn)超級快充無處不在，充電隨時(shí)可用，讓快充成為一種習(xí)慣，讓快充技術(shù)成就極致的智慧生活體驗(yàn)。
安全可信
首先是硬件可靠。以通信領(lǐng)域?yàn)槔ㄐ耪军c(diǎn)設(shè)備故障大部分因電源問題引起，面向未來 5G 網(wǎng)絡(luò)賦能千行百業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，其穩(wěn)定性關(guān)系著企業(yè)生產(chǎn)能否正常運(yùn)行，顯然硬件系統(tǒng)的可靠性非常重要。再以“隨時(shí)隨地超級快充”為例，其嵌入到插排、臺燈、汽車等設(shè)備里，對發(fā)熱、防漏電、防爆防燃等安全性要求當(dāng)然也非常高。
再則是軟件安全。功率器件的數(shù)字化，管理云化提升了效率，也帶來了潛在的網(wǎng)絡(luò)安全威脅，因此，除了要求電源本身的硬件可靠，軟件安全也是必選項(xiàng)。只有“軟硬結(jié)合”，才能保障系統(tǒng)的韌性、安全性、隱私性、可靠性、可用性，讓各行各業(yè)放心地使用高效的電源。
首次開放合作助力行業(yè)數(shù)字化升級
秦真介紹，華為在模塊電源領(lǐng)域已深耕多年，與華為公司的歷史一樣久遠(yuǎn)。只不過，過去華為模塊電源只服務(wù)華為內(nèi)部。在華為內(nèi)部，模塊電源包括了一次電源、二次電源和三次電源：一次電源指從交流電轉(zhuǎn)換為直流電；二次電源指再將直流電轉(zhuǎn)換為 12V、5V、3.3V 等不同大小的直流電壓輸出，為電子設(shè)備內(nèi)部單板供電；三次電源指進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為 3.3V 以下的直流電壓輸出，為芯片供電。截止 2020 年，華為內(nèi)部的一次、二次和三次電源的累計(jì)發(fā)貨量已達(dá) 3 億多片。正是這些模塊電源支撐了整個(gè)華為公司所有的 ICT 設(shè)備服務(wù)于全球各行各業(yè)。
如今，面對行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型中遇到的能耗挑戰(zhàn)，華為正式將這一內(nèi)部能力開放，并聚焦泛 CT、泛 IT、泛工業(yè)和消費(fèi)電子四大領(lǐng)域，打造高效、高密、高可靠、數(shù)字化模塊電源，以成就全球合作伙伴，助力各行各業(yè)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級。
在泛 CT 領(lǐng)域，華為將引領(lǐng)電源向芯片化轉(zhuǎn)型；在泛 IT 領(lǐng)域，華為具備從發(fā)電端到機(jī)柜再到設(shè)備內(nèi)部芯片的端到端全鏈路供電解決方案，基于此能力華為將重構(gòu)全鏈路供電架構(gòu)，以提升算力和能效；在泛工業(yè)領(lǐng)域，華為將打造高可靠的模塊，以服務(wù)像軌道交通、工業(yè)機(jī)器人等復(fù)雜且苛刻的工業(yè)場景；在消費(fèi)電子領(lǐng)域，華為也會將積累多年的快充模組拿出來服務(wù)合作伙伴，幫助千行百業(yè)實(shí)現(xiàn)超級快充無處不在。
秦真表示，未來華為模塊電源將基于 30 多年的技術(shù)積累，持續(xù)扎根電力電子技術(shù)，融合跨領(lǐng)域技術(shù)，加大在材料、封裝、工藝、拓?fù)洹⑸?、算法耦合等方面的投入，打造高密、高效、高可靠及?shù)字化供電方案，與合作伙伴一起，助力產(chǎn)業(yè)升級，為消費(fèi)者構(gòu)筑極致體驗(yàn)。
