什么是模块电源?其将交流电转换为直流电,再将直流电转为 48V、12V、5V、3.3V 及以下的不同大小的直流电压输出,为设备、内部单板、芯片等各个部件供电。不言而喻,模块电源是一切电子设备的基础。没有它,通信设备、IT 设备、终端都无法运行。没有它,不管是如今的移动互联生活,还是未来万物智联时代,都无从谈起。

 

如今,随着千行百业数字化转型与智能社会的到来,海量数据传输和处理对 ICT 设备的功耗要求越来越高,对模块电源的性能与效率要求也随之提高。那未来模块电源将迎来怎样的发展趋势?2021 年 1 月 22 日,华为数字能源发布模块电源未来趋势。

 

 

两大趋势呼唤模块电源变革创新

当前,以 5G、数据中心、人工智能、工业互联网等为代表的新基建正推动各行各业数字化转型,加速万物互联的智能社会到来。这场数字化变革下,海量终端产生的数据将爆炸式增长,为了传输和处理这些数据,各行各业都面临着功耗挑战,比如 5G 网络整体功耗相对 4G 将翻倍,数据中心随着算力大幅提升功耗也随之翻倍。

 

分析数据显示,预计到 2025 年,全球通信站点数量将增至 7000 万个,年耗电量超过 6700 亿度;数据中心将增至 2400 万机架,年耗电量超过 9500 亿度;泛工业场景,仅轨道交通、工业制造行业年耗电量将超过 16 万亿度;智能终端数达 400 亿部,年耗电量也将高达 2100 亿度。数字化转型和万物智联给社会带来的能耗压力将越来越大。

 

与此同时,节能减排已成为全球发展主题,一场能源革命已在全球范围内掀起。比如,为节约资源和保护环境,我国已提出 2030 年前达到碳达峰,2060 年实现碳中和,日韩也提出了在 2050 实现碳中和。未来,包括 IT 领域、通信领域、工业领域、以及消费电子领域的各行各业必将会越来越重视绿色发电、高效地用电。

 

基于以上两大背景,华为发布了模块电源的六大发展趋势,助力全行业数字化升级。

 

模块电源六大发展新趋势

华为数字能源产品线副总裁兼模块电源领域总裁秦真指出,在千行百业数字化转型以及全球能源变革的大背景下,模块电源将向“数字化”,“小型化”,“芯片化”,“全链路高效”,“超级快充”,“安全可信”六大趋势发展。

 

 

数字化

传统电源都是采用模拟控制技术的“哑设备”,不知道其内部工作状态,也无法预测其使用寿命,只有设备发生故障后,才知道电源出问题了,这使得管理和运维工作非常被动。而能源数字化通过部件级、设备级和网络级数字化,可实现电源可视,可管,可优,寿命可预测。

 

一方面,设备部件采用全数字控制,可与负载联动节能、调优,在线升级,以及实时上报工作状态和故障;另一方面,通过网络连接云端,可在云端就能看到电源内部的电压、电流、频率等工作状态,实现数据可视可管、设备可视可控,同时,通过引入 AI 还能精准的预测电源故障和寿命,以及提升整个电源系统的效率。

 

小型化

随着数据量倍增,功耗及算力持续提升,电源的高密小型化已是必然趋势。尤其是随着近几年数字化电源发展,预计高密化发展趋势会更加迅猛。当前服务器电源的功率密度约为每立方英寸 100W 左右,预计到三五年之后这个值将会翻一番,达到 200W 以上;二次模块目前为每立方英寸 300W 左右,三五年之后预计将达到 600W 以上。

 

那如何实现电源的高密小型化?主要有高频、器件集成、3D 布局等技术,比如将工作频率提高到 MHz 级,通过磁集成技术和 3D 布局设计来节省空间和提升效率,同时 MOS 管也将向包括碳化硅、氮化镓等化合物半导体材料发展。

 

芯片化

电源芯片化,指基于半导体封装技术和高频集成技术实现传统电源 PSiP(Power Supply in Package)化。电源模块将逐渐由原来的 PCBA 形态向塑封形态演进,并从独立硬件向软硬件耦合的方向发展。简单的讲,电源芯片化使得传统电源就像现在的芯片一样塑封,肉眼看不到任何电阻、电容、电感、MOS 管等传统功率器件,也省去了单板调测环节,不仅功率密度可提升约 2.3 倍,而且可以提升可靠性及环境适应能力。

 

全链路高效

当电源各部件的效率做到极致后,如何进一步实现高效节能?电子设备的供电链路是包括了从发电到输电,再到设备内部的一次、二次、三次电源转换的端到端架构。通过重构端到端架构,实现从部件到设备再到网络的全链路高效节能,是另一大发展趋势。比如,通过数字电源供电架构实现模块灵活组合,智能匹配负载;通过服务器电源双输入架构代替传统的单输入供电模式来实现高效供电。再比如,目前大多数厂家只关注一次电源,二次电源的效率,却忽略了板载电源“最后一厘米”的供电效率,而华为不仅提升了前两级电源的能效,还通过先进的碳化硅、氮化镓材料,以及基于数字化模型的自定义 IC 与封装、拓扑与器件强耦合设计,进一步提升了板载电源的效率。

 

超级快充

手机不充满电就不出门,看到电量只剩一格,你一定会惴惴不安,赶紧去充电。现代人都集体患了一种病,叫“低电量焦虑症”。如今各种智能终端已成为我们生活和工作不可或缺的一部分,但随着直播、游戏、视频等应用越来越普及,终端的耗电量随之加大,电池续航短板越来越突出,人们的“低电量焦虑症”也越来越严重。

 

如何治愈?华为率先提出了“2+N+X”概念,即将有线、无线两种快充技术集成到 N 类产品(比如插排、墙插、台灯、咖啡机、跑步机等),应用于 X 种场景(比如家居、酒店、办公、车内等),以后用户出行不需要再随身携带充电器、充电宝等,真正实现超级快充无处不在,充电随时可用,让快充成为一种习惯,让快充技术成就极致的智慧生活体验。

 

安全可信

首先是硬件可靠。以通信领域为例,通信站点设备故障大部分因电源问题引起,面向未来 5G 网络赋能千行百业数字化转型,其稳定性关系着企业生产能否正常运行,显然硬件系统的可靠性非常重要。再以“随时随地超级快充”为例,其嵌入到插排、台灯、汽车等设备里,对发热、防漏电、防爆防燃等安全性要求当然也非常高。

 

再则是软件安全。功率器件的数字化,管理云化提升了效率,也带来了潜在的网络安全威胁,因此,除了要求电源本身的硬件可靠,软件安全也是必选项。只有“软硬结合”,才能保障系统的韧性、安全性、隐私性、可靠性、可用性,让各行各业放心地使用高效的电源。

 

首次开放合作助力行业数字化升级

秦真介绍,华为在模块电源领域已深耕多年,与华为公司的历史一样久远。只不过,过去华为模块电源只服务华为内部。在华为内部,模块电源包括了一次电源、二次电源和三次电源:一次电源指从交流电转换为直流电;二次电源指再将直流电转换为 12V、5V、3.3V 等不同大小的直流电压输出,为电子设备内部单板供电;三次电源指进一步转换为 3.3V 以下的直流电压输出,为芯片供电。截止 2020 年,华为内部的一次、二次和三次电源的累计发货量已达 3 亿多片。正是这些模块电源支撑了整个华为公司所有的 ICT 设备服务于全球各行各业。

 

如今,面对行业数字化转型中遇到的能耗挑战,华为正式将这一内部能力开放,并聚焦泛 CT、泛 IT、泛工业和消费电子四大领域,打造高效、高密、高可靠、数字化模块电源,以成就全球合作伙伴,助力各行各业实现产业升级。

 

在泛 CT 领域,华为将引领电源向芯片化转型;在泛 IT 领域,华为具备从发电端到机柜再到设备内部芯片的端到端全链路供电解决方案,基于此能力华为将重构全链路供电架构,以提升算力和能效;在泛工业领域,华为将打造高可靠的模块,以服务像轨道交通、工业机器人等复杂且苛刻的工业场景;在消费电子领域,华为也会将积累多年的快充模组拿出来服务合作伙伴,帮助千行百业实现超级快充无处不在。

 

秦真表示,未来华为模块电源将基于 30 多年的技术积累,持续扎根电力电子技术,融合跨领域技术,加大在材料、封装、工艺、拓扑、散热、算法耦合等方面的投入,打造高密、高效、高可靠及数字化供电方案,与合作伙伴一起,助力产业升级,为消费者构筑极致体验。