將配電設(shè)計遷移到 48V 總線的原因

近年來，越來越多的應(yīng)用程序需要不斷增加的功率。例如，在云應(yīng)用中可以找到對更高功率密度的需求，這導(dǎo)致大型數(shù)據(jù)中心能夠處理大數(shù)據(jù)分析、人工智能和深度學習等最現(xiàn)代的應(yīng)用。另一個重要的行業(yè)，尤其是在未來幾年，電力需求將呈指數(shù)級增長是汽車行業(yè)：混合動力、電動自動駕駛汽車將需要越來越多的電子系統(tǒng)和設(shè)備，有利于從當前的 12V 電源系統(tǒng)過渡到能夠產(chǎn)生更多電力的技術(shù)。本文將分析這兩個用例，展示向 48V 電源總線的遷移如何不僅能夠滿足最高功率需求，而且還能提高效率并降低功率損耗。還應(yīng)該注意的是，在前面提到的和其他應(yīng)用中，通常存在與電源級的重量和尺寸相關(guān)的限制，這進一步有利于使用緊湊、高性能和高效的解決方案。

選擇48V總線的理由

很長一段時間以來，大多數(shù)數(shù)據(jù)處理中心、私人車輛和工業(yè)應(yīng)用都由 12VDC 或最多 48VDC 總線供電。選擇該電壓有幾個正當?shù)脑颍撼穗姶砰y和繼電器之外，它足夠高，可以為微處理器和相關(guān)外圍設(shè)備供電，操作小型電動機(例如汽車的啟動馬達)。此外，該電壓足夠低，不會對人體造成嚴重危害，并且代表了鉛酸電池制造的標準值，從而簡化了備用電源系統(tǒng)的創(chuàng)建。

該解決方案的主要限制在于，隨著負載吸收的功率增加，效率會下降，在這種情況下，與布線、連接器和 PCB 相關(guān)的功率損耗(也稱為 I2R 損耗)變得顯著.

如果電源電壓從 12V 變?yōu)?48V(以 4 倍系數(shù))，總電流將減少四分之一，而 16 倍系數(shù)將減少功率損耗。這意味著可以將更多數(shù)量的設(shè)備(比以前的解決方案獲得的值高 16 倍)連接到同一電源總線。

數(shù)據(jù)中心應(yīng)用

數(shù)據(jù)中心中使用的服務(wù)器和機架的功率大幅增加，從幾百瓦增加到幾千瓦。在多臺服務(wù)器上分配這些更高的功率水平不可避免地會產(chǎn)生更大的功率損耗，從而不可避免地降低效率。在可能的情況下，可以通過使用更大表面積和更大尺寸的電源條或提高電源電壓來緩解這一方面。第二種解決方案由于其簡單性和對不同環(huán)境的適用性，是最常用的一種。盡管功率損耗最多可以降低 16 倍，但從 12V 到 48V 電源總線的過渡在理論上會帶來一些缺點，例如成本更高、重量更高和尺寸更大。過去不采用 48V 電壓作為參考標準(電話通信等一些特定應(yīng)用除外)的主要原因是 48V 鉛酸電池太大太重，制造 DC- 非常困難和昂貴。能夠以如此高的電壓值運行的直流轉(zhuǎn)換器和穩(wěn)壓器。相同的 24V 電源總線通常會降低到 12V 的中間電壓，轉(zhuǎn)換器使用它為負載點 (PoL) 提供常用的 1V、2.5V 和 3.3V 電壓。然而，這些限制已成為過去。相同的 24V 電源總線通常會降低到 12V 的中間電壓，轉(zhuǎn)換器使用它為負載點 (PoL) 提供常用的 1V、2.5V 和 3.3V 電壓。然而，這些限制已成為過去。相同的 24V 電源總線通常會降低到 12V 的中間電壓，轉(zhuǎn)換器使用它為負載點 (PoL) 提供常用的 1V、2.5V 和 3.3V 電壓。然而，這些限制已成為過去。

如今，設(shè)計人員可以通過使用能夠提供與當前基于 12V 的解決方案相同水平的效率、成本、尺寸和重量的轉(zhuǎn)換器來降低 I2R 損耗。如今，大多數(shù)開關(guān)模式電源 (SMPS) 均基于 ZVS(零電壓開關(guān))或 ZCS(零電流開關(guān))設(shè)計。第一個通常通過諧振架構(gòu)實現(xiàn)，具有更高的效率，因為功率損耗往往會降低到零。與普通硅基晶體管相比，高電子遷移率氮化鎵晶體管 (GaN HEMT) 的引入最近實現(xiàn)了更高的開關(guān)速度。

例如，考慮一個開關(guān)頻率為 200 kHz 的 DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器，用于有效地將 48VDC 輸入電壓降低到 1.2VDC 輸出電壓(相應(yīng)的標記空間比將為 40:1)。我們還假設(shè) PWM 控制信號(其周期等于 5μs)保持高電平狀態(tài) 300ns，負載調(diào)節(jié)能力等于 1%。在這種情況下，PWM 信號的最大抖動僅為 3ns。上述工作條件可以被認為是基于傳統(tǒng)硅基技術(shù)的開關(guān)轉(zhuǎn)換器的限制，完全符合 GaN 晶體管的規(guī)格，有利于 48V 到 1V 的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的實際實現(xiàn)。

輕度混合動力汽車

目前在配備內(nèi)燃機的常規(guī)車輛中使用的 12VDC 電源總線如今已接近達到最大可輸送功率極限，即 3kW。這是由于車輛上引入了越來越多的電子設(shè)備：動力總成控制、信息娛樂和高級駕駛員輔助系統(tǒng) (ADAS)。48V 電源總線與現(xiàn)有總線一起提供輕度混合動力系統(tǒng)的優(yōu)勢，而不會達到電動和混合動力汽車中的復(fù)雜性。

輕度混合動力汽車可以節(jié)省 10% 或更多的燃料，減少相同百分比的排放，并且可以從傳統(tǒng)汽車中獲得微小和微創(chuàng)的修改。配備鋰離子電池的 48V 電源總線特別適用于在啟動/停止能力處于“停止”階段時為附件供電。

注意 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，它充當 48V 和 12V 電源總線之間的橋梁。鋰離子 48V 電池還可以補償電力吸收的峰值：因此可以為空調(diào)、動力轉(zhuǎn)向和渦輪增壓器提供動力，而不需要內(nèi)燃機產(chǎn)生的部分電力，從而提高整體效率機動車。

結(jié)論

每當基于 12VDC 電源總線的應(yīng)用需要更多功率時，建議考慮遷移到 48V 總線。上一代 DC-DC 轉(zhuǎn)換器和穩(wěn)壓器允許實施 48V 電源解決方案，其特性與傳統(tǒng) 12V 電源總線架構(gòu)提供的特性(在效率、成本、尺寸和重量方面)相當或更好。

根據(jù)應(yīng)用，可以選擇中間電壓轉(zhuǎn)換方案(從 48V 到 12V，然后從 12V 到負載所需的電壓)或從 48V 直接轉(zhuǎn)換到 Point-of 電壓的方案-加載。最新版本的 48V DC-DC 轉(zhuǎn)換器(也帶有絕緣)和穩(wěn)壓器基于零電壓開關(guān) (ZVS) 等高效開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)和 SM-ChiP 等高密度 3D 封裝技術(shù)，能夠倍增功率密度高達 4 倍。