将配电设计迁移至48V电源总线的原因

近年来，需要不断增加功率的应用数量不断增加。例如，在云应用中可以找到对更高功率密度的需求，这导致大型数据中心能够处理最现代的应用，例如大数据分析、人工智能和深度学习。另一个重要的行业，尤其是在未来几年，电力需求将呈指数级增长，是汽车行业：混合动力、电动自动驾驶汽车将需要越来越多的电子系统和设备，有利于从当前的 12V 电源系统过渡到能够产生更多电力的技术。本文将分析这两个用例，展示向 48V 电源总线的迁移如何不仅能够满足最高的电源需求，而且还能提高效率并减少功率损耗。还应该注意的是，在前面提到的和其他应用中，通常存在与电源级的重量和尺寸相关的限制，这进一步有利于使用紧凑、高性能和高效的解决方案。

选择48V总线的理由

在很长一段时间内，大多数数据处理中心、私家车和工业应用都由 12VDC 或最多 48VDC 总线供电。选择该电压的原因有几个：它足够高，可以为微处理器和相关外围设备供电，除了电磁阀和继电器之外，还可以操作小型电动机（例如汽车的启动电机）。此外，该电压足够低，不会对人体造成严重危害，代表了铅酸电池制造的标准值，从而简化了备用电源系统的创建。

该解决方案的主要限制在于，随着负载吸收的功率增加，效率会降低，在这种情况下，与布线、连接器和 PCB 相关的功率损耗（也称为 I2R 损耗）变得显着. 例如，请考虑图 1 的框图，其中电源单元向连接在同一总线上的三个不同负载提供直流电源。说I 1、I 2和I 3是负载吸收的电流，R LOSS是由上述连接确定的总电阻，功率损耗满足以下关系：

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

如果电源电压从 12V 变为 48V（4x 系数），总电流将减少四分之一，而 16x 系数将减少功率损耗。这意味着可以将更多的设备（比以前的解决方案获得的值高 16 倍）连接到同一电源总线。

图 1：通用直流电源总线示例

数据中心应用

数据中心中使用的服务器和机架的功率大幅增加，从几百瓦增加到几千瓦。在多台服务器上分配这些更高的功率水平不可避免地会产生更大的功率损耗，从而不可避免地降低效率。在可能的情况下，可以通过使用更大表面积和尺寸的电源条或提高电源电压来缓解这一问题。第二种解决方案由于其简单性和对不同环境的适用性，是最常用的一种。尽管功率损耗可以减少多达 16 倍，但从 12V 到 48V 电源总线的过渡在理论上可能会带来一些缺点，例如更高的成本、更高的重量和更大的尺寸。以往不采用48V电压作为参考标准的主要原因（电话通讯等一些特定应用除外），主要是48V铅酸电池体积太大太重，制作DC-能够在如此高的电压值下运行的直流转换器和稳压器。相同的 24V 电源总线通常降低到 12V 的中间电压，转换器使用该电压为负载点 (PoL) 供电，常用电压为 1V、2.5V 和 3.3V。然而，这些限制属于过去。相同的 24V 电源总线通常降低到 12V 的中间电压，转换器使用该电压为负载点 (PoL) 供电，常用电压为 1V、2.5V 和 3.3V。然而，这些限制属于过去。相同的 24V 电源总线通常降低到 12V 的中间电压，转换器使用该电压为负载点 (PoL) 供电，常用电压为 1V、2.5V 和 3.3V。然而，这些限制属于过去。

今天，设计人员可以通过使用更高电压的转换器来降低 I2R 损耗，该转换器能够提供与当前基于 12V 的解决方案相同水平的效率、成本、尺寸和重量。如今，大多数开关模式电源 (SMPS) 都基于 ZVS（零电压开关）或 ZCS（零电流开关）设计。第一个通常通过谐振架构实现，具有更高的效率，因为功率损耗趋于减少到零。高电子迁移率氮化镓晶体管 (GaN HEMT) 的引入最近实现了比普通硅基晶体管可实现的更高的开关速度。

例如，考虑一个开关频率为 200 kHz 的 DC-DC 降压转换器，用于有效地将 48VDC 输入电压降低到 1.2VDC 输出电压（因此，相应的标记空间比为 40:1）。我们还假设 PWM 控制信号（其周期等于 5µs）保持高电平状态 300ns，负载调节能力等于 1%。如图 2所示，在这种情况下，PWM 信号的最大抖动将仅为 3ns。上述工作条件可以被认为是基于传统硅基技术的开关转换器的限制，完全符合 GaN 晶体管的规格，有利于 DC-DC 转换器从 48V 到 1V 的实际实现。

图 2：只有高效率、高增益和宽带宽（例如 GaN HEMT）才能满足严格的应用要求

轻度混合动力汽车

目前在配备内燃机的普通车辆中使用的 12VDC 电源总线今天已接近达到最大可提供功率限制，即 3kW。这是由于在车辆上引入了越来越多的电子设备：动力系统控制、信息娱乐和高级驾驶员辅助系统 (ADAS)。48V 电源总线与现有总线一起提供轻度混合动力系统的优势，而不会达到电动和混合动力汽车中的复杂性。

轻度混合动力车辆可以节省 10% 或更多的燃料，减少相同百分比的排放，并且可以从传统车辆中衍生而来，只需进行微小的微创改造。配备锂离子电池的 48V 电源总线特别适用于在启动/停止能力处于“停止”阶段时为配件供电。

图 3：轻度混合动力汽车共享 12V 和 48V 电源总线

整个系统如图 3所示：注意 DC-DC 转换器，它充当 48V 和 12V 电源总线之间的桥梁。锂离子 48V 电池还可以补偿电力吸收的峰值：空调、动力转向和涡轮增压器因此可以在不需要内燃机产生的部分动力的情况下供电，从而提高整体效率机动车。

结论

每当基于 12VDC 电源总线的应用需要更多功率时，建议考虑迁移到 48V 总线。上一代 DC-DC 转换器和稳压器允许实施 48V 电源解决方案，其特性（在效率、成本、尺寸和重量方面）可与传统 12V 电源总线架构所提供的解决方案相媲美或优越。

根据应用，可以选择中间电压转换（从48V到12V，然后从12V到负载所需的电压）或从48V直接转换到Point-of上的电压的方案。 -加载。最新版本的 48V DC-DC 转换器（也带有绝缘）和稳压器基于高效开关拓扑，例如零电压开关 (ZVS) 和高密度 3D 封装技术，例如 SM-ChiP，能够乘以功率密度高达 4 倍。

审核编辑：汤梓红