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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)保護和絕緣的責(zé)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(dǎo)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(zé)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(dǎo)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(biāo)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(yù)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(fēng)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(fù)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。可以減少繼電器和開關(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(dǎo)體 48V 解決方案

安森美半導(dǎo)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(dǎo)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。