5G通信和新能源汽車發展為電源系統設計帶來極大挑戰

2023-05-08 來源：網絡整理

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據Markets and Research統計顯示，全球電源市場預計將從2018年的225億美元增至2023年的349.2億美元，復合年均增長率為6.7%。以中國電源學會數據為例，2020年中國電源行業產值同比增長22%，已達3288億元。隨著新興行業的涌現和快速發展，預計到2025年中國電源市場規模有望達到4887億元。

電源按產品名稱和原理可主要分為開關電源、UPS 電源、線性電源、逆變電源、變頻器電源和其他電源，其中開關電源市占比最大。按中國電源學會給出的定義，開關電源是指通過控制開關開通和關斷的時間比率，維持穩定輸出電壓的一種電源，具備功耗小、轉化效率高、負載穩定度高等優點，其已逐步替代線性電源成為電源主要品類，占電源市場規模過半（2020年占比為56%）。

據億渡數據估算，2021中國開關電源市場規模為1854 億元，至2025年有望增至2532 億元，復合年均增長率為8.1%。據該機構數據顯示，從2020年中國開關電源應用領域來看，工業、消費類電子為前兩大需求市場，市占比分別為55.12%和34.05%；其次為通信，占比為7.1%。

隨著全球新冠迷霧逐步消散，以實現 “碳中和”為目標的智能制造產業升級，以及云計算、綠色出行等為主要代表的新興需求的涌現和快速發展，正在推動5G、新能源汽車領域內開關電源需求的增長，預計2025年中國電源市場規模將高達4887億元，其中開關電源市場規模有望達到2532億元，2020-2025年復合年均增長率維持在8%左右。

5G通信更耗電

盡管5G具有高速率、低時延、大連接三大技術特性，但其仍有自身短板——能耗高。

相關數據顯示，2021年5G網絡整體能耗約250億kWh（度），碳排放量超1,500萬噸；而同年，中國電信的用電量為258.7億kWh。這是什么概念？也就是說，2021年中國電信的用電量已可完全覆蓋掉5G網絡整體的電能消耗量。

對于電信運營商而言，降低5G能耗仍是頭等大事。為此，此前中國幾大運營商就開始相互合作以降低能耗成本。

2019年9月，中國電信與中國聯通簽署5G網絡（基站）共享合作協議；截至2021年底，雙方通過4G/5G 網絡共建共享每年預計可節約用電超過175億度，并累計節省投資超過人民幣2100 億元，每年節約運營成本200億元；截至2022年底，雙方通過4G/5G共建共享，累計節省CAPEX（固定成本支出）超2700億元，每年節省OPEX（運營支出）超300億元。不僅只在中國電信與中國聯通間，中國廣電和中國移動也簽署了同類合作協議。

5G基站緣何能耗高？

通常情況下，無線網絡、數據中心和基礎通信網絡能耗的比重約為7:2:1，而在無線網絡中，5G能耗居多。據相關預測指出，到2025年，通信行業將消耗全球20%的電力。其中，大約80%的能耗來自廣泛分布的基站。目前，雖然5G單基站的能耗比商用初期已實現大幅降低，但其仍為4G單基站能耗的3倍左右。

就現階段而言，5G比4G更為耗電，其主要影響因素在三大層面，一是單基站的功耗；二是5G基站的覆蓋能力；三是5G基站的配套設施。

圖1：電源產業示意圖資料來源：國際電子商情

首先，5G基站比4G基站能耗更高。盡管5G基站的能量效率（例如5G基站單位比特流量功耗僅約為4G的1/5），但運營商仍在為絕對能耗過高而頭疼——5G單點基站的功耗為4G單站的2.5倍至3.5倍。

由于5G通信需要采用Massive MIMO等技術，5G基站的AAU單扇區輸出功率由4G的40W-80W上升到200W甚至更高，同時由于處理的數據量大幅度增加，BBU（基帶處理單元）（或者在5G某些組網模式下被拆分為CU和DU）的功率也大幅增加，其功率已經超過1000W。

其次，5G通信因更高的頻段才能具有超高速率、極低延時等特點。以中國為例：4G LTE的頻段為1.8GHz-2.65GHz，而5G頻段主要為3.3GHz-5GHz（主要集中于3.3-3.6GHz/4.8-5GHz），以及新增的毫米波(mmW)頻段——E波段，71-76/81-86GHz（調整后微波通信系統可使用頻率為4500-4800MHz、7125-7725MHz、7725-8500MHz、10.7-11.7GHz、12.75-13.25GHz、14.5-15.35GHz、21.2-23.6GHz和71-76/81-86GHz），由于無線電波頻率越高，波長越短、電波衰減越大，因此，為了保障傳輸距離5G通信需要更高密度部署。

第三，目前通信基站機房的電源設備、發射設備、傳輸設備等容易產生大量熱量，尤其是5G奇高的功耗，因此讓封閉的移動通信基站機房保持在一定的工作環境溫度（基站環境標準GB50174-93規定基站溫度18°C-28°C），還需要配置空調等冷卻系統。

原有4G通信基站供電的通信電源輸出功率為2000W~3000W。根據英飛凌披露的信息顯示，華為提供的數據，3G（兼容2G），4G（兼容3G），5G（兼容3G和4G）基站的功耗對比，增加5G通信后基站電源的功率上升68%。更關鍵的是，由于當前5G基站單站滿載功率近3700W，而過去4G基站單站滿載功率不過在1500W左右。（如果在已有4G基站站址上建設5G基站，就需對現網電源、配套進行擴容。）

綜上，5G通信基站更高功率會帶來更高功耗，也就意味著更高成本，因此其對電源的效率要求更高。

據中國聯通的統計數據，通信數據中心（中心局機房）的OPEX中電費占比進接近30%（28%）。雖然供電系統的能耗只占通信數據中心總能耗的10%，但是供電系統會加劇制冷系統的負擔，以30kW的系統為例，效率提高5%可以使得電源設備一年減少好點1.8萬度，空調電耗減少0.72萬度，提高通信電源增效降本的關鍵手段之一。

同時，相比3G/4G通信數據流量，5G通信數據流更加不均衡，即便在某一時段，流量也可能忽高忽低，這也就意味著通信電源的實際負載范圍不穩定。因此，為了保障各種負載下5G系統的通信電源功耗達到最低值，就要求在很寬的范圍內效率都要達到最高值，效率曲線變為較為平穩的直線。

以往原有電源柜空間極其有限，這就要求通信電源模塊（通常稱其為整流模塊）提升功率密度。例如4G通信中大量使用的大量使用的3kW輸出整流模塊尺寸為280*80*40mm，其功率密度為55W/in3 。為了應用于5G通信，在尺寸不變的情況下輸出功率需要達到4kW，電源功率密度則要達到73W/in3

對于5G微基站，有的廠商將AAU的供電電源采用抱桿設計，為了降低箱體重量和尺寸，要求內部的電源尺寸盡量小，高度盡量低（甚至低于20mm），相應地電源的功率密度需要大幅度提高。

數據顯示，2021年中國5G網絡整體能耗約250億kWh，碳排放超過1 500萬噸；預計2020-2030年，5G基站數量將增長9.6倍，能耗與碳排放增長8倍以上，累計增加碳排放5.9億噸。

2022年7月，七部門聯合印發《信息通信行業綠色低碳發展行動計劃（2022-2025年）》

指出，到2025年，中國信息通信行業單位信息流量綜合能耗比“十三五”期末下降20%，單位電信業務總量綜合能耗比“十三五”期末下降15%。其中，在基礎設施共建共享方面；全國新建大型、超大型數據中心電能利用效率（PUE）降到1.3以下，5G基站能效提升20%以上，改建核心機房PUE降到1.5以下。

此外，隨著5G通信應用于自動駕駛、能制制造、智慧遠程醫療等重要應用場景，因此其對電源系統的可靠性提出了更高要求。

如何為5G基站組件選擇合適的電源？

由于5G通信整合更多集成型微波/毫米波收發器、現場可編程門陣列(FPGA)、更高速率的數據轉換器以及適合更小蜂窩的高功率低噪聲功率放大器(PA)，才能充分利用新頻譜，以滿足未來的數據容量需求。同時，5G蜂窩通過集成更多天線，才能確保大規模多路輸入輸出(MIMO)技術實現可靠連接。

圖2：混合波束成形發射器功能框圖，圖源：ADI

例如單個FPGA實際上需要具有嚴緊容差的多個電壓和不同的額定電流，以實現最優操作。同樣，運行速度更快的精密數據轉換器（如模數轉換器(ADC)和數模轉換器(DAC)）也需要多個電源軌，例如具有極低噪聲和直流紋波的1.3V、2.5V和3.3V。在設計這些高速數據轉換器的電源系統時，由受限于電路板(PCB)可用空間，所以ADC和DAC的電源靈敏度必須是首要考慮因素。甚至在某些情況下，為最大程度地提高電源電壓抑制比(PSRR)性能，可以在開關穩壓器之后的電源路徑中使用線性穩壓器。

此外，由于新一代通信技術整合了集成型收發器和低噪聲、高功率微波/毫米波PA，并具有更寬帶寬，它們的數字控制和管理系統需要使用多種專用電源技術。例如，基于氮化鎵(GaN)的低噪聲、高功率PA將需要高達28V至50V的電壓，同時基于FPGA的控制和高速ADC和DAC將需要多個更低的電壓，并具有適當的時序控制、監控和保護功能。

因此，在對開關電源進行可靠性設計時要注意，一是選用高質量的器件；二是嚴格滿足器件的規格及降額要求；三是完善測試項目，例如對于5G通信電源，由于其負載波動會很大，動態負載測試就非常關鍵。對于戶外用電源，由于可能會遭受雷擊，浪涌測試就非常關鍵。

5G基站電源市場發展空間可期

2019年6月6日，中國工信部正式發放5G商用牌照，標志著正式進入5G商用元年。據工信部最新數據，截至2月末，中國5G基站總數達238.4萬個，比上年末凈增7.21萬個，占移動基站總數的21.9%。按規劃，2023年中國將擬新建60萬個5G基站，基站總數將超過290萬個。

據安信證券在5G電源市場空間的測算：若在現有的-48V開關電源方案基礎上擴容，按照5G基站近4kW的輸入功率需求測算，至少需要增加2 個-48V/50A 的整流模塊，假設2千

元/個的模塊單價，則單站的擴容成本為4千元；若采用HVDC 直流遠供或者DPS分布式供電，單站價值約在7千至1 萬元左右。進一步假設3 種供電方案的建設比例為1:1:1，按照中國國內450 萬站的建設規模測算，該機構預計5G 基站電源市場空間有望達315 億元。

表1：5G基站電源系統市場空間測算

資料顯示，目前主流的通信基站供電方案是-48V 電源直流遠供，但對于一些AAU 距離較遠的站點，出于成本的考慮，該機構認為，運營商會進一步采用HVDC 直流遠供方案和DPS 分布式供電方案。

表2：3種基站供電方案的CAPEX和OPEX對比

新能源汽車為電源市場提供增動力

數據顯示，2022年中國新能源汽車銷量為688.7萬輛，同比增長93.4%，市場占有率達到25.6%。中汽協預測2023年中國新能源汽車銷量將達到900萬輛；全國乘用車市場信息聯席會則預計，2023年中國新能源乘用車銷量將達到850 萬輛，實現 30% 左右的增長。此外，從全球市場來看，2022年全球新能源車 (EV) 年增長55%，達 1010 萬輛(Canalys數據)，按照彭博社預測，2023年全球新能源汽車銷量將達1360萬輛，保持30%以上的增幅。

隨著新能源汽車銷量不斷走高，與之相關的車載電源市場需求也隨之持續擴大。據《中國車載電源行業現狀深度研究與投資趨勢預測報告（22-29）》數據，中國車載電源市場規模也由2017年的54.4億元增至2021 年的246.5 億元，復合年均增長率為45.9%，該報告預計2025年相關市場有望達到700 億元。

目前，應用于新能源汽車的車載電源，主要分為車載充電機、DC/DC 變換器和車載電源集成產品三大類。從2021年中國車載電源產品占比來看，車載電源集成產品占比為50%，車載充電機占比35.7%，DC/DC 變換器產品占比14.3%。

電動汽車電源系統設計面臨新挑戰

汽車電氣化發展正在推動當前汽車電氣設計架構的變革。實際上，這既增加了汽車運行所需的電力，同時也對各種車載系統供電設計產生了極大影響。例如，純電動汽車 (BEV) 和插電式混合動力汽車 (PHEV) 的動力系統使用高壓電池（800V 或 400V），該高壓電池還必須在 48V 及 12V 下為汽車配件供電。

汽車的電氣化是將電網發電儲存于高壓電池中電能通過釋放來取代車載發電。在此趨勢下。

諸如電動轉向和電動懸架、ADAS 和信息娛樂系統等大量控制系統和子系統的轉換，也為車載電源系統涉設計帶來挑戰。

據全球最大的高密度電源模塊生產商Vicor資料顯示，與內燃機 (ICE) 相比，電動汽車的電源需求提高了 20 倍。當前的純電動汽車需要 100kW 以上的電源，配件的電源需求至少占這一總需求的 4kW。相比之下，ICE只需要 2.5 至 4.5kW 的總電源。

表3：向xEV遷移增加了車輛中對電力的使用

由于新能源汽車尤其是電動汽車，其電力來源不再是通過 ICE 發電的、持續運行的12V交流發電機，而是使用電池中儲存且有限的400V或800V電源。許多配件都在12V電壓下進行了成本和性能優化，因此車輛中依舊需要保留12V的電源架構（或將高壓電池電源轉換為48V的架構）。這對于電源系統工程師最大的挑戰就在于，尋找理想的系統將最大限度提升功率密度，以減輕重量并縮小單位體積。