新興的48V生態系統?

由于其特性，48V一直被認為是最高的“安全電壓”。根據 UL 或 IAC 等標準和認證機構，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 電源架構可在多種應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域中的 48V 電源，以及如何利用從一個領域到另一個領域的一些改進來創建解決問題的創新解決方案。

汽車

圖 1 中概述的汽車電氣化趨勢表明，由于 12V 啟動/停止功能的廣泛應用，如今電動汽車已經占據市場主導地位。隨著我們的前進，這種趨勢將在未來幾年繼續發展，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

關于圖 2 所示的汽車電源網絡，它們目前基于傳統的 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 轉換器將成為雙向的，能夠實現來回共享電源。隨著汽車完全電氣化，12V 系統將被淘汰。

圖 2：48V 汽車應用

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(需要更高的電壓)，48V 總線可以支持多種汽車應用：啟動發電機、電池管理系統、輔助電機、DC/DC 轉換器和電子保險絲。

云

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

圖 3：服務器刀片框圖

如今，此類系統的峰值功率約為 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。可以選擇漸進的方法在云應用中引入 48V 總線。圖 4 的上側顯示了一個傳統的電源架構，前端有一個 UPS、一個圍繞機架的交流總線和一系列電壓轉換器(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，因為許多基礎設施已經部署在 12V 左右。圖 7 的下側顯示了另一種解決方案，它依賴于在設施前端執行 AC/DC 轉換的假設。400V DC總線為機架供電，現在只進行DC/DC轉換，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 描繪了一種更具創新性的架構，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 轉換為 1V，這意味著占空比僅為 2%。此外，高動態要求對負載施加了高效率。圖 5 顯示了由 Google 設計并免費提供的高效率和高密度開關槽式轉換器，顯示了對實現 48V 周圍生態系統的極大興趣。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 轉換器。還應考慮其他方面，例如：

加速卡：如果插在服務器主板上，優先考慮空間占用，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，市場上已經有預建的電源模塊，例如能夠將 48V 轉換為 1V 的 Flex 隔離式直流總線轉換器。其他解決方案已經計劃在未來幾年內實施。

機器人

另一個可以應用 48V 電源的領域是工業自動化：我們指的是協作機器人、送貨無人機和類似電池供電的設備。例如，協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。關節的大小將由其內部的電機決定。為了盡量減少空間占用，應增加功率密度。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。

應用和解決方案

我們可以在一個圖表中總結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用程序工作(圖 6)。第一列涉及 AC/DC 轉換：在汽車中不需要該解決方案，因為在電動汽車中我們已經擁有 400V 或 800V 直流電池。正如我們之前所見，在服務器和工業自動化應用中，我們需要它。下一列與高壓 DC/DC 相關。在云系統中，可能會使用或不使用高直流配電;然而，在汽車中，需要將 EV 電池電壓轉換為 48V。

然后我們有中壓 DC/DC 擴展到所有應用。汽車將需要多相降壓轉換器來滿足對更多處理能力的自主性和信息娛樂需求。在云系統中，它們可用于將 48V 總線轉換為核心電壓。在工業自動化中，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。轉到負載點，我們遇到了類似的情況：我們在汽車、云服務器和工業應用中擁有傳感器、外圍設備和計算設備。另一個重要的電源解決方案是電機驅動。我們知道汽車內部有多種電機：風扇、泵、渦輪增壓器、壓縮機等等。在云系統中，冷卻系統通常需要服務器電機驅動器。

在工業自動化中，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、驅動等。下一列與 eFuse 相關：在云服務器中，該解決方案允許熱插拔設備以在總線上提供保護。在工業自動化中，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，其中插入設備時會產生浪涌電流和高壓尖峰。圖 8 顯示了如何使用 eFuse 實現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

汽車應用也可以從 eFuse 技術中受益。如果我們看一下傳統的汽車接線圖(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的數量，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備，而不是大型機械設備。