新興的48V生態(tài)系統(tǒng)?

由于其特性，48V一直被認為是最高的“安全電壓”。根據(jù) UL 或 IAC 等標準和認證機構(gòu)，60V 是開始需要對電纜進行額外保護(例如電流隔離或額外強度絕緣)的電壓級別。為降低成本和保護等級，應(yīng)選擇60V以下的電壓。這就是選擇 48V 電壓電平的原因：它代表了在最小化功率損耗的需要與提供適當保護和絕緣的責任之間的良好折衷。

48V的未來

48V 電源架構(gòu)可在多種應(yīng)用中提供有價值且高效的解決方案。我們可以確定三個主要的興趣領(lǐng)域：汽車、云和機器人。在接下來的段落中，我們將研究是什么推動了每個領(lǐng)域中的 48V 電源，以及如何利用從一個領(lǐng)域到另一個領(lǐng)域的一些改進來創(chuàng)建解決問題的創(chuàng)新解決方案。

汽車

圖 1 中概述的汽車電氣化趨勢表明，由于 12V 啟動/停止功能的廣泛應(yīng)用，如今電動汽車已經(jīng)占據(jù)市場主導地位。隨著我們的前進，這種趨勢將在未來幾年繼續(xù)發(fā)展，包括輕度混合動力、全混合動力和電動汽車。所有電動汽車都可以成功采用 48V 總線，并且將通過自動駕駛和信息娛樂解決方案增加更多功能。

圖1：汽車電氣化

關(guān)于圖 2 所示的汽車電源網(wǎng)絡(luò)，它們目前基于傳統(tǒng)的 12V 總線，該總線仍將存在一段時間。例如，圖 2 概述了 12V 電池和皮帶啟動發(fā)電機，它們將啟動電機并可能在制動期間再生一些電力。有趣的是，所有這些設(shè)計仍然可以在 48V 總線上正常工作。隨著時間的推移，所有汽車負載都將從 12V 總線遷移到 48V 總線，并且 DC/DC 轉(zhuǎn)換器將成為雙向的，能夠?qū)崿F(xiàn)來回共享電源。隨著汽車完全電氣化，12V 系統(tǒng)將被淘汰。

圖 2：48V 汽車應(yīng)用

通過采用汽車 48V 總線，我們可以獲得更高的功率密度，從而獲得更小的電機。除了動力傳動系統(tǒng)(需要更高的電壓)，48V 總線可以支持多種汽車應(yīng)用：啟動發(fā)電機、電池管理系統(tǒng)、輔助電機、DC/DC 轉(zhuǎn)換器和電子保險絲。

云

云依賴于強大而高效的服務(wù)器，這些服務(wù)器負責所有相關(guān)的計算和網(wǎng)絡(luò)活動。圖 3 顯示了典型服務(wù)器刀片的框圖，其中包括 12V 電源總線、一些保護設(shè)備、多相控制器、外圍設(shè)備、負載點 (POL) 和提供清潔電源的低壓差穩(wěn)壓器 (LDO)。

圖 3：服務(wù)器刀片框圖

如今，此類系統(tǒng)的峰值功率約為 400W，但幾年后，它將達到并超過 1 kW。由于機架功率密度如此之高，48V 總線證明是比 12V 更好的解決方案，因為它涉及更低的傳輸損耗并有助于減小導體尺寸?？梢赃x擇漸進的方法在云應(yīng)用中引入 48V 總線。圖 4 的上側(cè)顯示了一個傳統(tǒng)的電源架構(gòu)，前端有一個 UPS、一個圍繞機架的交流總線和一系列電壓轉(zhuǎn)換器(交流到 48V、48V 到 12V 和 12V 到負載點)。這確實是一個很好的解決方案，因為許多基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)部署在 12V 左右。圖 7 的下側(cè)顯示了另一種解決方案，它依賴于在設(shè)施前端執(zhí)行 AC/DC 轉(zhuǎn)換的假設(shè)。400V DC總線為機架供電，現(xiàn)在只進行DC/DC轉(zhuǎn)換，UPS可以直接連接到機架上。這種解決方案的缺點是直流高壓(400V 總線)比交流高壓更難保護。

Figure 4: cloud power architectures

圖 4 描繪了一種更具創(chuàng)新性的架構(gòu)，其中 48V 總線直接連接到負載點。由于核心處理器的要求，這種解決方案是一個非常具有挑戰(zhàn)性的解決方案。事實上，核心處理器需要大約 1V 的電壓，但對該值的容差非常小。我們必須將標稱的 48V 轉(zhuǎn)換為 1V，這意味著占空比僅為 2%。此外，高動態(tài)要求對負載施加了高效率。圖 5 顯示了由 Google 設(shè)計并免費提供的高效率和高密度開關(guān)槽式轉(zhuǎn)換器，顯示了對實現(xiàn) 48V 周圍生態(tài)系統(tǒng)的極大興趣。主要想法是使用輸入電壓為 48V、輸出電壓為 12V/6V 或更低電壓的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。還應(yīng)考慮其他方面，例如：

加速卡：如果插在服務(wù)器主板上，優(yōu)先考慮空間占用，這可能需要不同的解決方案

GaN 組件：由于其高開關(guān)頻率和效率，它可以代表另一種解決方案。

圖 5：為 POL 提供 48V

今天，市場上已經(jīng)有預建的電源模塊，例如能夠?qū)?48V 轉(zhuǎn)換為 1V 的 Flex 隔離式直流總線轉(zhuǎn)換器。其他解決方案已經(jīng)計劃在未來幾年內(nèi)實施。

機器人

另一個可以應(yīng)用 48V 電源的領(lǐng)域是工業(yè)自動化：我們指的是協(xié)作機器人、送貨無人機和類似電池供電的設(shè)備。例如，協(xié)作機器人可以輕松地由 48V 電池供電，這是一種既安全又高效的解決方案。我們知道，機器人涉及12V和24V的電機解決方案很多。為簡單起見，請考慮機器人手臂的大小。關(guān)節(jié)的大小將由其內(nèi)部的電機決定。為了盡量減少空間占用，應(yīng)增加功率密度。再次證明，48V 是正確的電源解決方案，完全在安全電壓范圍內(nèi)。

應(yīng)用和解決方案

我們可以在一個圖表中總結(jié)上面提到的注意事項，該圖表顯示了電源解決方案如何跨應(yīng)用程序工作(圖 6)。第一列涉及 AC/DC 轉(zhuǎn)換：在汽車中不需要該解決方案，因為在電動汽車中我們已經(jīng)擁有 400V 或 800V 直流電池。正如我們之前所見，在服務(wù)器和工業(yè)自動化應(yīng)用中，我們需要它。下一列與高壓 DC/DC 相關(guān)。在云系統(tǒng)中，可能會使用或不使用高直流配電;然而，在汽車中，需要將 EV 電池電壓轉(zhuǎn)換為 48V。

然后我們有中壓 DC/DC 擴展到所有應(yīng)用。汽車將需要多相降壓轉(zhuǎn)換器來滿足對更多處理能力的自主性和信息娛樂需求。在云系統(tǒng)中，它們可用于將 48V 總線轉(zhuǎn)換為核心電壓。在工業(yè)自動化中，它們可能用于為機器人中涉及的所有傳感器和處理單元供電。轉(zhuǎn)到負載點，我們遇到了類似的情況：我們在汽車、云服務(wù)器和工業(yè)應(yīng)用中擁有傳感器、外圍設(shè)備和計算設(shè)備。另一個重要的電源解決方案是電機驅(qū)動。我們知道汽車內(nèi)部有多種電機：風扇、泵、渦輪增壓器、壓縮機等等。在云系統(tǒng)中，冷卻系統(tǒng)通常需要服務(wù)器電機驅(qū)動器。

在工業(yè)自動化中，電機顯然用于提供運動并支持其他機器人功能，例如抓取、提升、牽引、驅(qū)動等。下一列與 eFuse 相關(guān)：在云服務(wù)器中，該解決方案允許熱插拔設(shè)備以在總線上提供保護。在工業(yè)自動化中，我們可以考慮一個有模塊化機器人的場景，我們可以在系統(tǒng)上線時插入新模塊。我們將在下一段中看到 eFuse 的更多汽車應(yīng)用。最后一欄很簡單：只要有電池，我們就需要電池管理解決方案。

圖 6：48V 應(yīng)用和解決方案

eFuse：特性和功能

熱插拔控制器基于電子保險絲，這是一種集成保護設(shè)備，用于在操作期間將電流和電壓限制在安全水平。因此，eFuse 是一種保護設(shè)備，允許在總線帶電時插入或取出某些東西，從而保護總線和熱插拔設(shè)備。典型的 eFuse 具有多種保護功能，例如過電流、過電壓和反向電流，具有診斷功能并且可以自動或通過控制器遠程復位。

圖 7：eFuse 概覽

圖 7 概述了沒有 eFuse 的典型情況，其中插入設(shè)備時會產(chǎn)生浪涌電流和高壓尖峰。圖 8 顯示了如何使用 eFuse 實現(xiàn)負載電流和負載電壓的逐漸上升。

圖 8：使用 eFuse 時的負載電流和電壓

汽車應(yīng)用也可以從 eFuse 技術(shù)中受益。如果我們看一下傳統(tǒng)的汽車接線圖(圖 9)，我們會看到一個接線盒，所有東西都需要穿過它，還有一些很長的重型電纜，為負載帶來直流電壓。接線盒包含保險絲，每次其中一個燒毀時，我們需要打開接線盒并更換一個新的。

圖9：汽車傳統(tǒng)接線圖

使用 eFuse 可以改善這種情況，如圖 10 所示。這里我們有一個 48V 電路，它連接到汽車的各個角落，在每個角落，我們都有一個保護電纜的 eFuse 和一個保護負載的 eFuse?？梢詼p少繼電器和開關(guān)的數(shù)量，并且電纜可以更短，因為它們更短。總布線重量和成本也可以減少。也許在未來，可以直接從智能手機重置 eFuse。基于 eFuse 的解決方案確實是一項重大改進，使汽車更像是電子設(shè)備，而不是大型機械設(shè)備。

圖 10：基于 eFuse 的接線圖

安森美半導體 48V 解決方案

安森美半導體提供范圍廣泛的 48V Mosfet 解決方案，具有適用于高頻開關(guān)或電機驅(qū)動應(yīng)用的各種擊穿電壓、技術(shù)和封裝。安森美半導體還以其業(yè)界領(lǐng)先的 FET 而聞名，例如 FDMF8811 100V 功率級中使用的那些(圖 11)，采用緊湊的 PQFN 封裝。

圖 11：基于 FET 的 100V 功率級

安森美半導體擁有進一步集成的器件，例如圖 12 中所示的降壓轉(zhuǎn)換器。它的輸入電壓高達 65V，具有多種輸出電流和電壓。它可以提供 48V 或低至 4.5V 的任何其他值的輸出電壓。

圖 12：FAN65xxx 降壓轉(zhuǎn)換器

結(jié)論

許多市場的需求正在共同開發(fā) 48V 生態(tài)系統(tǒng)，并且在許多應(yīng)用中都有很多機會部署能夠解決現(xiàn)有問題的創(chuàng)新解決方案。

審核編輯：湯梓紅