近年來(lái)，越來(lái)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(duì)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(xué)習(xí)等最現(xiàn)代的應(yīng)用。另一個(gè)重要的行業(yè)，尤其是在未來(lái)幾年，電力需求將呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)是汽車行業(yè)：混合動(dòng)力、電動(dòng)自動(dòng)駕駛汽車將需要越來(lái)越多的電子系統(tǒng)和設(shè)備，有利于從當(dāng)前的 12V 電源系統(tǒng)過(guò)渡到能夠產(chǎn)生更多電力的技術(shù)。本文將分析這兩個(gè)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(jí)的重量和尺寸相關(guān)的限制，這進(jìn)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(zhǎng)一段時(shí)間以來(lái)，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(gè)正當(dāng)?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(dòng)機(jī)(例如汽車的啟動(dòng)馬達(dá))。此外，該電壓足夠低，不會(huì)對(duì)人體造成嚴(yán)重危害，并且代表了鉛酸電池制造的標(biāo)準(zhǔn)值，從而簡(jiǎn)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(fù)載吸收的功率增加，效率會(huì)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(jī)架的功率大幅增加，從幾百瓦增加到幾千瓦。在多臺(tái)服務(wù)器上分配這些更高的功率水平不可避免地會(huì)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(guò)使用更大表面積和更大尺寸的電源條或提高電源電壓來(lái)緩解這一方面。第二種解決方案由于其簡(jiǎn)單性和對(duì)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(guò)渡在理論上會(huì)帶來(lái)一些缺點(diǎn)，例如成本更高、重量更高和尺寸更大。過(guò)去不采用 48V 電壓作為參考標(biāo)準(zhǔn)(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(yùn)行的直流轉(zhuǎn)換器和穩(wěn)壓器。相同的 24V 電源總線通常會(huì)降低到 12V 的中間電壓，轉(zhuǎn)換器使用它為負(fù)載點(diǎn) (PoL) 提供常用的 1V、2.5V 和 3.3V 電壓。然而，這些限制已成為過(guò)去。相同的 24V 電源總線通常會(huì)降低到 12V 的中間電壓，轉(zhuǎn)換器使用它為負(fù)載點(diǎn) (PoL) 提供常用的 1V、2.5V 和 3.3V 電壓。然而，這些限制已成為過(guò)去。相同的 24V 電源總線通常會(huì)降低到 12V 的中間電壓，轉(zhuǎn)換器使用它為負(fù)載點(diǎn) (PoL) 提供常用的 1V、2.5V 和 3.3V 電壓。然而，這些限制已成為過(guò)去。

如今，設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)使用能夠提供與當(dāng)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(lái)降低 I2R 損耗。如今，大多數(shù)開(kāi)關(guān)模式電源 (SMPS) 均基于 ZVS(零電壓開(kāi)關(guān))或 ZCS(零電流開(kāi)關(guān))設(shè)計(jì)。第一個(gè)通常通過(guò)諧振架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，具有更高的效率，因?yàn)楣β蕮p耗往往會(huì)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(shí)現(xiàn)了更高的開(kāi)關(guān)速度。

例如，考慮一個(gè)開(kāi)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(biāo)記空間比將為 40:1)。我們還假設(shè) PWM 控制信號(hào)(其周期等于 5μs)保持高電平狀態(tài) 300ns，負(fù)載調(diào)節(jié)能力等于 1%。在這種情況下，PWM 信號(hào)的最大抖動(dòng)僅為 3ns。上述工作條件可以被認(rèn)為是基于傳統(tǒng)硅基技術(shù)的開(kāi)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(shí)際實(shí)現(xiàn)。

輕度混合動(dòng)力汽車

目前在配備內(nèi)燃機(jī)的常規(guī)車輛中使用的 12VDC 電源總線如今已接近達(dá)到最大可輸送功率極限，即 3kW。這是由于車輛上引入了越來(lái)越多的電子設(shè)備：動(dòng)力總成控制、信息娛樂(lè)和高級(jí)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(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，而不會(huì)達(dá)到電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車中的復(fù)雜性。

輕度混合動(dòng)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(dòng)/停止能力處于“停止”階段時(shí)為附件供電。

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

結(jié)論

每當(dāng)基于 12VDC 電源總線的應(yīng)用需要更多功率時(shí)，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(shí)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(dāng)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(fù)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(kāi)關(guān) (ZVS) 等高效開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(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(dá) 4 倍。