據(jù)Markets and Research統(tǒng)計(jì)顯示，全球電源市場(chǎng)預(yù)計(jì)將從2018年的225億美元增至2023年的349.2億美元，復(fù)合年均增長率為6.7%。以中國電源學(xué)會(huì)數(shù)據(jù)為例，2020年中國電源行業(yè)產(chǎn)值同比增長22%，已達(dá)3288億元。隨著新興行業(yè)的涌現(xiàn)和快速發(fā)展，預(yù)計(jì)到2025年中國電源市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到4887億元。

電源按產(chǎn)品名稱和原理可主要分為開關(guān)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(guān)電源市占比最大。按中國電源學(xué)會(huì)給出的定義，開關(guān)電源是指通過控制開關(guān)開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，具備功耗小、轉(zhuǎn)化效率高、負(fù)載穩(wěn)定度高等優(yōu)點(diǎn)，其已逐步替代線性電源成為電源主要品類，占電源市場(chǎng)規(guī)模過半（2020年占比為56%）。

據(jù)億渡數(shù)據(jù)估算，2021中國開關(guān)電源市場(chǎng)規(guī)模為1854 億元，至2025年有望增至2532 億元，復(fù)合年均增長率為8.1%。據(jù)該機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)顯示，從2020年中國開關(guān)電源應(yīng)用領(lǐng)域來看，工業(yè)、消費(fèi)類電子為前兩大需求市場(chǎng)，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(shí)現(xiàn) “碳中和”為目標(biāo)的智能制造產(chǎn)業(yè)升級(jí)，以及云計(jì)算、綠色出行等為主要代表的新興需求的涌現(xiàn)和快速發(fā)展，正在推動(dòng)5G、新能源汽車領(lǐng)域內(nèi)開關(guān)電源需求的增長，預(yù)計(jì)2025年中國電源市場(chǎng)規(guī)模將高達(dá)4887億元，其中開關(guān)電源市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到2532億元，2020-2025年復(fù)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(shí)延、大連接三大技術(shù)特性，但其仍有自身短板——能耗高。

相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2021年5G網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)整體的電能消耗量。

對(duì)于電信運(yùn)營商而言，降低5G能耗仍是頭等大事。為此，此前中國幾大運(yùn)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(lián)通簽署5G網(wǎng)絡(luò)（基站）共享合作協(xié)議；截至2021年底，雙方通過4G/5G 網(wǎng)絡(luò)共建共享每年預(yù)計(jì)可節(jié)約用電超過175億度，并累計(jì)節(jié)省投資超過人民幣2100 億元，每年節(jié)約運(yùn)營成本200億元；截至2022年底，雙方通過4G/5G共建共享，累計(jì)節(jié)省CAPEX（固定成本支出）超2700億元，每年節(jié)省OPEX（運(yùn)營支出）超300億元。不僅只在中國電信與中國聯(lián)通間，中國廣電和中國移動(dòng)也簽署了同類合作協(xié)議。

5G基站緣何能耗高？

通常情況下，無線網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心和基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)能耗的比重約為7:2:1，而在無線網(wǎng)絡(luò)中，5G能耗居多。據(jù)相關(guān)預(yù)測(cè)指出，到2025年，通信行業(yè)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(shí)現(xiàn)大幅降低，但其仍為4G單基站能耗的3倍左右。

就現(xiàn)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(shè)施。

圖1：電源產(chǎn)業(yè)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(yùn)營商仍在為絕對(duì)能耗過高而頭疼——5G單點(diǎn)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(shù)，5G基站的AAU單扇區(qū)輸出功率由4G的40W-80W上升到200W甚至更高，同時(shí)由于處理的數(shù)據(jù)量大幅度增加，BBU（基帶處理單元）（或者在5G某些組網(wǎng)模式下被拆分為CU和DU）的功率也大幅增加，其功率已經(jīng)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(shí)等特點(diǎn)。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(diào)整后微波通信系統(tǒng)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(jī)房的電源設(shè)備、發(fā)射設(shè)備、傳輸設(shè)備等容易產(chǎn)生大量熱量，尤其是5G奇高的功耗，因此讓封閉的移動(dòng)通信基站機(jī)房保持在一定的工作環(huán)境溫度（基站環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)GB50174-93規(guī)定基站溫度18°C-28°C），還需要配置空調(diào)等冷卻系統(tǒng)。

原有4G通信基站供電的通信電源輸出功率為2000W~3000W。根據(jù)英飛凌披露的信息顯示，華為提供的數(shù)據(jù)，3G（兼容2G），4G（兼容3G），5G（兼容3G和4G）基站的功耗對(duì)比，增加5G通信后基站電源的功率上升68%。更關(guān)鍵的是，由于當(dāng)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(shè)5G基站，就需對(duì)現(xiàn)網(wǎng)電源、配套進(jìn)行擴(kuò)容。）

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

據(jù)中國聯(lián)通的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，通信數(shù)據(jù)中心（中心局機(jī)房）的OPEX中電費(fèi)占比進(jìn)接近30%（28%）。雖然供電系統(tǒng)的能耗只占通信數(shù)據(jù)中心總能耗的10%，但是供電系統(tǒng)會(huì)加劇制冷系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，以30kW的系統(tǒng)為例，效率提高5%可以使得電源設(shè)備一年減少好點(diǎn)1.8萬度，空調(diào)電耗減少0.72萬度，提高通信電源增效降本的關(guān)鍵手段之一。

同時(shí)，相比3G/4G通信數(shù)據(jù)流量，5G通信數(shù)據(jù)流更加不均衡，即便在某一時(shí)段，流量也可能忽高忽低，這也就意味著通信電源的實(shí)際負(fù)載范圍不穩(wěn)定。因此，為了保障各種負(fù)載下5G系統(tǒng)的通信電源功耗達(dá)到最低值，就要求在很寬的范圍內(nèi)效率都要達(dá)到最高值，效率曲線變?yōu)檩^為平穩(wěn)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(yīng)用于5G通信，在尺寸不變的情況下輸出功率需要達(dá)到4kW，電源功率密度則要達(dá)到73W/in3

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

數(shù)據(jù)顯示，2021年中國5G網(wǎng)絡(luò)整體能耗約250億kWh，碳排放超過1 500萬噸；預(yù)計(jì)2020-2030年，5G基站數(shù)量將增長9.6倍，能耗與碳排放增長8倍以上，累計(jì)增加碳排放5.9億噸。

2022年7月，七部門聯(lián)合印發(fā)《信息通信行業(yè)綠色低碳發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2022-2025年）》

指出，到2025年，中國信息通信行業(yè)單位信息流量綜合能耗比“十三五”期末下降20%，單位電信業(yè)務(wù)總量綜合能耗比“十三五”期末下降15%。其中，在基礎(chǔ)設(shè)施共建共享方面；全國新建大型、超大型數(shù)據(jù)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(jī)房PUE降到1.5以下。

此外，隨著5G通信應(yīng)用于自動(dòng)駕駛、能制制造、智慧遠(yuǎn)程醫(yī)療等重要應(yīng)用場(chǎng)景，因此其對(duì)電源系統(tǒng)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(fā)器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)、更高速率的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)容量需求。同時(shí)，5G蜂窩通過集成更多天線，才能確保大規(guī)模多路輸入輸出(MIMO)技術(shù)實(shí)現(xiàn)可靠連接。

圖2：混合波束成形發(fā)射器功能框圖，圖源：ADI

例如單個(gè)FPGA實(shí)際上需要具有嚴(yán)緊容差的多個(gè)電壓和不同的額定電流，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)操作。同樣，運(yùn)行速度更快的精密數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器（如模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)）也需要多個(gè)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(shè)計(jì)這些高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的電源系統(tǒng)時(shí)，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(guān)穩(wěn)壓器之后的電源路徑中使用線性穩(wěn)壓器。

此外，由于新一代通信技術(shù)整合了集成型收發(fā)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(shù)字控制和管理系統(tǒng)需要使用多種專用電源技術(shù)。例如，基于氮化鎵(GaN)的低噪聲、高功率PA將需要高達(dá)28V至50V的電壓，同時(shí)基于FPGA的控制和高速ADC和DAC將需要多個(gè)更低的電壓，并具有適當(dāng)?shù)臅r(shí)序控制、監(jiān)控和保護(hù)功能。

因此，在對(duì)開關(guān)電源進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)時(shí)要注意，一是選用高質(zhì)量的器件；二是嚴(yán)格滿足器件的規(guī)格及降額要求；三是完善測(cè)試項(xiàng)目，例如對(duì)于5G通信電源，由于其負(fù)載波動(dòng)會(huì)很大，動(dòng)態(tài)負(fù)載測(cè)試就非常關(guān)鍵。對(duì)于戶外用電源，由于可能會(huì)遭受雷擊，浪涌測(cè)試就非常關(guān)鍵。

5G基站電源市場(chǎng)發(fā)展空間可期

2019年6月6日，中國工信部正式發(fā)放5G商用牌照，標(biāo)志著正式進(jìn)入5G商用元年。據(jù)工信部最新數(shù)據(jù)，截至2月末，中國5G基站總數(shù)達(dá)238.4萬個(gè)，比上年末凈增7.21萬個(gè)，占移動(dòng)基站總數(shù)的21.9%。按規(guī)劃，2023年中國將擬新建60萬個(gè)5G基站，基站總數(shù)將超過290萬個(gè)。

據(jù)安信證券在5G電源市場(chǎng)空間的測(cè)算：若在現(xiàn)有的-48V開關(guān)電源方案基礎(chǔ)上擴(kuò)容，按照5G基站近4kW的輸入功率需求測(cè)算，至少需要增加2 個(gè)-48V/50A 的整流模塊，假設(shè)2千

元/個(gè)的模塊單價(jià)，則單站的擴(kuò)容成本為4千元；若采用HVDC 直流遠(yuǎn)供或者DPS分布式供電，單站價(jià)值約在7千至1 萬元左右。進(jìn)一步假設(shè)3 種供電方案的建設(shè)比例為1:1:1，按照中國國內(nèi)450 萬站的建設(shè)規(guī)模測(cè)算，該機(jī)構(gòu)預(yù)計(jì)5G 基站電源市場(chǎng)空間有望達(dá)315 億元。

表1：5G基站電源系統(tǒng)市場(chǎng)空間測(cè)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(yuǎn)供，但對(duì)于一些AAU 距離較遠(yuǎn)的站點(diǎn)，出于成本的考慮，該機(jī)構(gòu)認(rèn)為，運(yùn)營商會(huì)進(jìn)一步采用HVDC 直流遠(yuǎn)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(duì)比

新能源汽車為電源市場(chǎng)提供增動(dòng)力

數(shù)據(jù)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(chǎng)占有率達(dá)到25.6%。中汽協(xié)預(yù)測(cè)2023年中國新能源汽車銷量將達(dá)到900萬輛；全國乘用車市場(chǎng)信息聯(lián)席會(huì)則預(yù)計(jì)，2023年中國新能源乘用車銷量將達(dá)到850 萬輛，實(shí)現(xiàn) 30% 左右的增長。此外，從全球市場(chǎng)來看，2022年全球新能源車 (EV) 年增長55%，達(dá) 1010 萬輛(Canalys數(shù)據(jù))，按照彭博社預(yù)測(cè)，2023年全球新能源汽車銷量將達(dá)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(guān)的車載電源市場(chǎng)需求也隨之持續(xù)擴(kuò)大。據(jù)《中國車載電源行業(yè)現(xiàn)狀深度研究與投資趨勢(shì)預(yù)測(cè)報(bào)告（22-29）》數(shù)據(jù)，中國車載電源市場(chǎng)規(guī)模也由2017年的54.4億元增至2021 年的246.5 億元，復(fù)合年均增長率為45.9%，該報(bào)告預(yù)計(jì)2025年相關(guān)市場(chǎng)有望達(dá)到700 億元。

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

電動(dòng)汽車電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)面臨新挑戰(zhàn)

汽車電氣化發(fā)展正在推動(dòng)當(dāng)前汽車電氣設(shè)計(jì)架構(gòu)的變革。實(shí)際上，這既增加了汽車運(yùn)行所需的電力，同時(shí)也對(duì)各種車載系統(tǒng)供電設(shè)計(jì)產(chǎn)生了極大影響。例如，純電動(dòng)汽車 (BEV) 和插電式混合動(dòng)力汽車 (PHEV) 的動(dòng)力系統(tǒng)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(wǎng)發(fā)電儲(chǔ)存于高壓電池中電能通過釋放來取代車載發(fā)電。在此趨勢(shì)下。

諸如電動(dòng)轉(zhuǎn)向和電動(dòng)懸架、ADAS 和信息娛樂系統(tǒng)等大量控制系統(tǒng)和子系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，也為車載電源系統(tǒng)涉設(shè)計(jì)帶來挑戰(zhàn)。

據(jù)全球最大的高密度電源模塊生產(chǎn)商Vicor資料顯示，與內(nèi)燃機(jī) (ICE) 相比，電動(dòng)汽車的電源需求提高了 20 倍。當(dāng)前的純電動(dòng)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(duì)電力的使用

由于新能源汽車尤其是電動(dòng)汽車，其電力來源不再是通過 ICE 發(fā)電的、持續(xù)運(yùn)行的12V交流發(fā)電機(jī)，而是使用電池中儲(chǔ)存且有限的400V或800V電源。許多配件都在12V電壓下進(jìn)行了成本和性能優(yōu)化，因此車輛中依舊需要保留12V的電源架構(gòu)（或?qū)⒏邏弘姵仉娫崔D(zhuǎn)換為48V的架構(gòu) ）。這對(duì)于電源系統(tǒng)工程師最大的挑戰(zhàn)就在于，尋找理想的系統(tǒng)將最大限度提升功率密度，以減輕重量并縮小單位體積。

表4：3款純電動(dòng)汽車電源轉(zhuǎn)換器對(duì)比