近年來，需要不斷增加功率的應(yīng)用數(shù)量不斷增加。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)中心能夠處理最現(xiàn)代的應(yīng)用，例如大數(shù)據(jù)分析、人工智能和深度學(xué)習(xí)。另一個(gè)重要的行業(yè)，尤其是在未來幾年，電力需求將呈指數(shù)級(jí)增長，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的電源需求，而且還能提高效率并減少功率損耗。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

在很長一段時(shí)間內(nèi)，大多數(shù)數(shù)據(jù)處理中心、私家車和工業(yè)應(yīng)用都由 12VDC 或最多 48VDC 總線供電。選擇該電壓的原因有幾個(gè)：它足夠高，可以為微處理器和相關(guān)外圍設(shè)備供電，除了電磁閥和繼電器之外，還可以操作小型電動(dòng)機(jī)（例如汽車的啟動(dòng)電機(jī)）。此外，該電壓足夠低，不會(huì)對(duì)人體造成嚴(yán)重危害，代表了鉛酸電池制造的標(biāo)準(zhǔn)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(fù)載吸收的功率增加，效率會(huì)降低，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. 例如，請(qǐng)考慮圖 1 的框圖，其中電源單元向連接在同一總線上的三個(gè)不同負(fù)載提供直流電源。說I 1、I 2和I 3是負(fù)載吸收的電流，R LOSS是由上述連接確定的總電阻，功率損耗滿足以下關(guān)系：

P LOSS = R LOSS x (I 1 + I 2 + I 3 ) 2

如果電源電壓從 12V 變?yōu)?48V（4x 系數(shù)），總電流將減少四分之一，而 16x 系數(shù)將減少功率損耗。這意味著可以將更多的設(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。

圖 1：通用直流電源總線示例

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，可以通過使用更大表面積和尺寸的電源條或提高電源電壓來緩解這一問題。第二種解決方案由于其簡單性和對(duì)不同環(huán)境的適用性，是最常用的一種。盡管功率損耗可以減少多達(dá) 16 倍，但從 12V 到 48V 電源總線的過渡在理論上可能會(huì)帶來一些缺點(diǎn)，例如更高的成本、更高的重量和更大的尺寸。以往不采用48V電壓作為參考標(biāo)準(zhǔn)的主要原因（電話通訊等一些特定應(yīng)用除外），主要是48V鉛酸電池體積太大太重，制作DC-能夠在如此高的電壓值下運(yùn)行的直流轉(zhuǎn)換器和穩(wěn)壓器。相同的 24V 電源總線通常降低到 12V 的中間電壓，轉(zhuǎn)換器使用該電壓為負(fù)載點(diǎn) (PoL) 供電，常用電壓為 1V、2.5V 和 3.3V。然而，這些限制屬于過去。相同的 24V 電源總線通常降低到 12V 的中間電壓，轉(zhuǎn)換器使用該電壓為負(fù)載點(diǎn) (PoL) 供電，常用電壓為 1V、2.5V 和 3.3V。然而，這些限制屬于過去。相同的 24V 電源總線通常降低到 12V 的中間電壓，轉(zhuǎn)換器使用該電壓為負(fù)載點(diǎn) (PoL) 供電，常用電壓為 1V、2.5V 和 3.3V。然而，這些限制屬于過去。

今天，設(shè)計(jì)人員可以通過使用更高電壓的轉(zhuǎn)換器來降低 I2R 損耗，該轉(zhuǎn)換器能夠提供與當(dāng)前基于 12V 的解決方案相同水平的效率、成本、尺寸和重量。如今，大多數(shù)開關(guān)模式電源 (SMPS) 都基于 ZVS（零電壓開關(guān)）或 ZCS（零電流開關(guān)）設(shè)計(jì)。第一個(gè)通常通過諧振架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，具有更高的效率，因?yàn)楣β蕮p耗趨于減少到零。高電子遷移率氮化鎵晶體管 (GaN HEMT) 的引入最近實(shí)現(xiàn)了比普通硅基晶體管可實(shí)現(xiàn)的更高的開關(guān)速度。

例如，考慮一個(gè)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（因此，相應(yīng)的標(biāo)記空間比為 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%。如圖 2所示，在這種情況下，PWM 信號(hào)的最大抖動(dòng)將僅為 3ns。上述工作條件可以被認(rèn)為是基于傳統(tǒng)硅基技術(shù)的開關(guān)轉(zhuǎn)換器的限制，完全符合 GaN 晶體管的規(guī)格，有利于 DC-DC 轉(zhuǎn)換器從 48V 到 1V 的實(shí)際實(shí)現(xiàn)。

圖 2：只有高效率、高增益和寬帶寬（例如 GaN HEMT）才能滿足嚴(yán)格的應(yīng)用要求

輕度混合動(dòng)力汽車

目前在配備內(nèi)燃機(jī)的普通車輛中使用的 12VDC 電源總線今天已接近達(dá)到最大可提供功率限制，即 3kW。這是由于在車輛上引入了越來越多的電子設(shè)備：動(dòng)力系統(tǒng)控制、信息娛樂和高級(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，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)力車輛可以節(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)車輛中衍生而來，只需進(jìn)行微小的微創(chuàng)改造。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)為配件供電。

圖 3：輕度混合動(dòng)力汽車共享 12V 和 48V 電源總線

整個(gè)系統(tǒng)如圖 3所示：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：空調(diào)、動(dòng)力轉(zhuǎn)向和渦輪增壓器因此可以在不需要內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的部分動(dòng)力的情況下供電，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（在效率、成本、尺寸和重量方面）可與傳統(tǒng) 12V 電源總線架構(gòu)所提供的解決方案相媲美或優(yōu)越。

根據(jù)應(yīng)用，可以選擇中間電壓轉(zhuǎn)換（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上的電壓的方案。 -加載。最新版本的 48V DC-DC 轉(zhuǎn)換器（也帶有絕緣）和穩(wěn)壓器基于高效開關(guān)拓?fù)洌缌汶妷洪_關(guān) (ZVS) 和高密度 3D 封裝技術(shù)，例如 SM-ChiP，能夠乘以功率密度高達(dá) 4 倍。

審核編輯：湯梓紅