僅需更換兩個組件，即可將 DC-DC 轉換器輸出從 12V 切換為 48V

支撐汽車行業數十年的傳統 12V 架構，如今已難以應對汽車系統中日益增長的電子負載。

現代汽車依賴于高性能的 ADAS 計算機、多傳感器感知系統、電動底盤、區域控制器以及大功率發熱負載。這些功能雖然使汽車更智能、更安全，但也極大增加了電源設計人員的工作復雜性。這些功能對功率密度提出了更高要求，并帶來了難以在 12V 母線上管理的 I2R 損耗。因此，整個行業的汽車制造商都準備全面過渡到 48V 架構，將其作為新的 SELV 域。

然而，向 48V 轉換并非易事。汽車制造商需要考慮與現有 12V 負載的兼容性，同時還要滿足更高系統電壓下的新安全要求。每一次架構過渡還意味著需要進行重新認證、PCB 重新設計和熱性能的重新驗證。

綜上所述，工程師希望找到一條向 48V 過渡的路徑，避免從頭開始重建每一級電源。模塊化電源轉換架構提供了最實用的方法，因為它支持快速擴展、靈活重新配置，并能在多個車輛平臺間復用認證結果。

圖 1：單個 Vicor 電源模塊就是一個完整的 DC-DC 轉換器，內部集成了數百個經過優化的微型組件。

為什么傳統方案越來越難以為繼?

傳統的分立式轉換器設計依賴于由 MOSFET、磁性元件、驅動器和控制 IC 組成的大型組件陣列。這種方法雖然可行，但當設計目標發生變化、需要重新設計時，整個過程變得非常繁瑣。每次需求發生變化時，設計團隊幾乎都必須重新設計 PCB 布局，因為組件排布、回路幾何結構以及熱路徑很難跨版本復用。

例如，為了實現 95%–97% 的效率，分立式轉換器往往需要體積龐大的拓撲結構以維持熱設計裕量。這些設計通常依賴厚重的散熱器或液冷回路，一旦需求發生變化，就必須重新設計 PCB，并重新考慮熱設計和進行新的驗證。

當轉換器直接由 800V 牽引電池供電時，這些挑戰會進一步加劇。更高的系統電壓會增加爬電距離和電氣間隙要求，而這會增加 PCB 尺寸，并要求使用更昂貴的絕緣材料。此外，EMI 性能也更難以控制，因為與大板面積和大量組件相關的寄生參數會在每次更新時疊加，使情況更為復雜。即使電源架構在初始階段表現良好，但隨著需求增長，其維護會變得越來越困難。

認證流程帶來額外限制。一個典型的高壓轉 48V 分立式轉換器可能包含 200 多個組件，而每個器件都需要供應鏈管控和 PPAP 文件。當汽車制造商更新平臺或增加新的 ADAS 或底盤負載時，工程師必須對整個轉換器進行重新認證。

當供電網絡（PDN）的演進速度超過工程師重新設計轉換器硬件的速度時，分立式設計便成為瓶頸。

可提高系統可擴展性與靈活性的模塊化設計

模塊化電源架構徹底改變了這一局面。設計團隊無需為每個新應用重新設計轉換器，而是通過組合可互操作的模塊來實現系統構建。

這種模塊化方法以緊湊、高功率密度的構建模塊取代大型轉換器陣列，將開關、磁性元件與控制集成到一個經過熱優化的模塊中（見圖 1）。每個模塊都是一個電氣特性可預測的成熟單元。一旦設計人員認證了一個模塊，他們就可以在未來的項目中重復使用它，而無需重復驗證。也就是說，只需認證模塊本身，而不必對其內部的所有組件逐一進行認證。因此，模塊可以簡化合規流程，并縮短工程團隊針對新負載設計電源系統的時間。

在系統層面，模塊化設計使 PDN 更加靈活。工程師可以通過串聯或并聯模塊來改變功率等級，而無需修改電路板布局。而且這種方法同時支持集中式和區域式兩種電源架構。例如，一個原本在中央電源盒中實現高壓轉 48V 的轉換器，經過極少的設計修改，就可以部署到電池殼體內或區域節點中。以前需要為 ADAS 計算機和分布式執行器集群創建獨特設計的工程師，現在可以復用一套通用的模塊。

高壓轉 SELV 的挑戰

在高壓轉 SELV的階段，分立式方案的局限性最為明顯。從牽引電池到 SELV 的轉換步驟給轉換器帶來了最大的電氣和機械應力，并放大了布局、寄生參數控制或熱設計方面的任何不足。工程師必須同時應對高 dV/dt 邊沿、嚴格的爬電距離與電氣間隙要求，以及隨組件數量增加而加劇的 EMI 敏感性。

隨著 SELV 負載動態性的增強，這些限制變得更加突出。主動懸架執行器和 ADAS 計算電源軌會產生快速電流變化，要求轉換器在不出現壓降、過沖或延遲的情況下穩定響應。分立式轉換器難以滿足這些需求，因為它們的瞬態響應取決于大功率級的布局以及眾多分立式組件的相互作用。

現代固定比率諧振拓撲通過在緊湊的封裝內提供高效率與快速瞬態響應解決了這個問題。憑借軟開關和低寄生結構，它們可以降低開關損耗，改善 EMI 控制，并在動態負載條件下提供穩定的性能。例如，BCM6135 固定比率轉換器可在 800V 和 48V 之間進行雙向轉換，效率接近 99%，瞬態電流變化率（di/dt）達 8MA/s。

圖 2：憑借快速瞬態響應和極高的效率，固定比率轉換器可以消除汽車系統中對輔助電池的需求。由于轉換器能夠直接為所有負載供電，該架構不再需要傳統的緩沖器或輔助電池。這種“虛擬電池”概念顯著減輕了電動汽車系統的重量，降低了成本和復雜性。

隨著模塊化轉換器達到這種瞬態性能水平，它們開始以一種過去所需要 SELV 母線上專用儲能的方式支持動態負載（圖 2）。由于轉換器充當快速負載的直接電流源，該架構不再依賴于傳統的緩沖器或輔助電池。“虛擬電池”的概念顯著減輕了了電動汽車系統的重量，降低了成本和復雜性。

集中式與區域式供電網絡

從 12V 集中式電源架構向 48V 區域電源架構過渡，將帶來新的電氣與機械挑戰。

在集中電源架構中，一個中央模塊負責將高壓電池降壓并通過粗線束分配 12V 電源。但隨著車輛功能增多，12V 電流變得過大，線束也變得越發笨重和復雜。區域架構通過在整車內分配 48V 電源，并在負載點完成 48V 到 12V 的轉換來解決這個問題。

在相同功率水平下，48V 電源軌可將系統電流降低至原來的四分之一。電流降低后，設計人員最多可將線束重量減輕 85%，并顯著簡化布線。這樣，區域控制器就能夠在本地為負載供電，而無需長距離大電流路徑。電動防側傾穩定系統或電子制動助力等高功率功能也更適合采用 48V 架構，因為它們損耗更低，產生的熱量也更少。

在 48V 成為主流低壓母線之前，12V 和 48V 負載將繼續在同一平臺內共存。在這一過渡階段，模塊化轉換器能夠靈活地同時支持兩個電壓域，而無需增加系統復雜度或重新設計。

這是下一代演示系統的核心：靈活性一個簡單的虛線圓標題

為了展示模塊化電源可實現的設計靈活性，Vicor 創建了 Paladin 參考平臺。Paladin 是一個 4kW、800V 轉 12V/48V 的演示平臺，總體積僅 1.1 升，功率密度達 3.6 kW/L。該平臺包括兩個用于高壓轉 SELV 步驟的高壓轉換級，以及兩個可互換的低壓位置，可以兼容PRM 穩壓器或DCM DC-DC 轉換器。這些模塊安裝在具有通用機械接口的載板上，使工程師無需改動 PCB、外殼或認證文件即可重新配置輸出。

圖 3：Paladin 系統的分解圖顯示了高壓轉 SELV 功率級安裝在具有通用機械接口的載板上，支持快速重新配置。只需更改模塊選擇，設計人員即可生成穩壓 12V 輸出、穩壓 48V 輸出或混合電壓軌配置。

高壓轉換器位于系統一側，而 PRM 與 DCM 模塊安裝在載板組件中（見圖 3）。這些載板可支持機械結構互不相同的模塊，并為 PCB 提供一個統一接口。只需更改模塊選擇，設計人員即可生成穩壓 12V 輸出、穩壓 48V 輸出或混合電壓軌配置。

從電氣層面看，Paladin 是一個完整的供電網絡概念驗證系統。它支持雙向運行、高瞬態性能以及緊湊的熱設計。若采用分立式設計來支持同樣的三種輸出配置，則需設計三塊完全不同的 PCB，并更換數百個組件。而 Paladin 只需一塊電路板就能支持同樣的三種配置，組件數量減少了 50%，并且每個輸出軌只需更換一個組件即可改變輸出電壓。

希望構建量產系統的工程師可以將 Paladin 作為設計的起點。

讓高壓轉 SELV 更快速、更輕松、更簡單

向 48V 架構過渡可能帶來許多復雜問題。然而，模塊化方案能夠降低設計難度，為工程師提供更輕松的路徑，打造可擴展、緊湊且靈活的解決方案。像 Paladin 這樣的系統實實在在地證明，模塊化設計已準備好支持行業演進過程中的嚴苛要求。

圖 4：Paladin 是一個 4kW、800V 轉 12V/48V 的演示平臺，總體積僅 1.1 升，功率密度達 3.6 kW/L。該平臺尺寸僅為 275 x 155 x 27.3mm，包含兩個用于高壓轉 SELV 步驟的高壓轉換級，以及兩個可互換的低壓位置，可以兼容 PRM 穩壓器或 DCM DC-DC 轉換器。

模塊化方法不僅能夠縮小 DC-DC 轉換器的尺寸，還能提供出色的靈活性，最多更換兩個組件即可支持 12V 與 48V 電源。在設計面向未來的高壓轉 SELV 電源解決方案時，模塊化方法是比分立式設計更為簡單的替代方案。