|
作者：Christian Cruz，ADI應用開(kāi)發(fā)工程師 摘要 技術(shù)世界千變萬(wàn)化，人們對高效可靠電源解決方案的需求持續上升。近年來(lái)，48 V電源電壓備受關(guān)注。乍看之下，48 V可能并不新穎，但它具有眾多優(yōu)勢，非常實(shí)用，并且已成為各種系統級、工業(yè)、汽車(chē)和通信應用中的重要組成部分。本文將通過(guò)實(shí)際例子和演示探討48 V電源電壓的優(yōu)勢。 簡(jiǎn)介 48 V電源電壓用途廣泛且與現有基礎設施兼容，因此在各種應用中發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用。以前，配電系統嚴重依賴(lài)標準12 V或24 V電平。然而，現代設備和電子產(chǎn)品的功率需求不斷增加，對系統效率和能源經(jīng)濟性要求也逐漸提高，因此，48 V等更高電源電壓逐漸受到青睞。 數據中心匯集了超級計算機等高算力設備，非常需要節能解決方案。48 V電源電壓在傳輸效率和轉換損耗之間取得了平衡，是一種比較出色的折衷方案。提高電壓可以減少配電損耗，降低總體能耗。 48 V電源電壓也有利于汽車(chē)行業(yè)，尤其是電動(dòng)汽車(chē)(EV)。電動(dòng)汽車(chē)的先進(jìn)功能和電驅動(dòng)子系統日漸增加，人們也越來(lái)越需要更節能的解決方案。48 V架構改善了再生制動(dòng)期間的能量回收，并更易于集成電子轉向助力和高級駕駛員輔助系統等大功率組件。 48 V電源電壓的優(yōu)勢 采用48 V電源電壓，不僅能提升系統效率，還能為設計提供更靈活的選擇。以下是一些主要優(yōu)勢： u I2R損耗更低 配電系統中的電阻損耗（I2R損耗）會(huì )對效率產(chǎn)生重大影響。與較低電壓系統相比，功率水平一定時(shí)，48 V電源電壓系統的電流更低。因此，傳輸過(guò)程中的I2R損耗更低，整體系統效率更高。 u 功率密度更高 與較低電壓系統相比，48 V電源電壓支持使用更小的導線(xiàn)和元件來(lái)傳輸同一功率。這相當于提高了功率密度，因此可以讓設計更加緊湊，特別適合空間有限的應用。 u 增強電壓調節能力 根據定義，電壓電平越高，電壓調節能力越強，這對于波動(dòng)敏感型應用非常關(guān)鍵。為了保持可靠運行，工業(yè)自動(dòng)化和通信系統通常需要穩定且經(jīng)過(guò)良好調節的電壓電平。 u 設計靈活性 48 V電源電壓支持更多設計選擇。支持集成電壓需求各不相同的眾多子系統。電機、傳感器和通信接口都可以在同一個(gè)系統中共存。 u 與可再生能源兼容 48 V電源電壓與可再生能源系統（如太陽(yáng)能裝置）中太陽(yáng)能電池板的電壓輸出完美匹配。這種互操作性使得我們可以輕松將可再生能源納入現有電力系統。 
圖1.系統內的高效電壓轉換1 48 V電源電壓實(shí)施要點(diǎn) 實(shí)施過(guò)程中必須充分考量注意事項，才能充分利用48 V電源電壓的優(yōu)勢。讓我們從系統級、工業(yè)和通信應用的角度來(lái)了解這些基礎知識。 高效電壓轉換 雖然48 V越來(lái)越受歡迎，但并非所有設備和組件都能直接處理該電壓電平，而是需采用高效的電壓轉換方法（如DC-DC轉換器）來(lái)降低電壓，以滿(mǎn)足子系統對更低電源電壓的需求。參見(jiàn)圖1。 熱管理
圖2.ADI-BBU模塊2和四分之一磚塊參考設計 圖2備用電池單元(BBU)模塊中的較高電壓電平和四分之一磚塊參考設計方法可能會(huì )產(chǎn)生較大的熱量。散熱器、風(fēng)扇和熱設計考慮等熱管理方法對于確保48 V組件的壽命和可靠性至為關(guān)鍵。 安全措施
圖3.輕度混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)中48 V與12 V之間的電氣隔離3 安全是所有電氣系統的重中之重。雖然48 V電源電壓不是特別高，但也必須配備足夠的安全預防措施，例如電路保護、隔離柵和接地，以避免與電氣故障相關(guān)的風(fēng)險。48 V和12 V系統應用就使用了隔離柵來(lái)實(shí)現電氣隔離，如圖3所示。BBU模塊Modbus®通信方法借助ADM2561E在BBU模塊與BBU架之間建立隔離通信。 通信協(xié)議
圖4.開(kāi)放計算項目Open Rack V3架構4 在現代工業(yè)和通信應用中，互操作性至關(guān)重要。實(shí)施標準化的通信協(xié)議可確保在48V運行的子系統之間實(shí)現無(wú)縫的數據交換，從而提高整個(gè)系統的效率。開(kāi)放計算項目（OCP）正在引領(lǐng)新的數據中心架構的持續采用。該組織為48V系統的電力整流器、BBU（電池備份單元）、網(wǎng)絡(luò )、存儲和服務(wù)器提供了完整的架構設計。請參見(jiàn)圖4。 監測與控制 為使系統始終保持出色性能，需要持續實(shí)時(shí)監測電壓電平、電流和溫度�？梢圆捎弥悄芸刂葡到y來(lái)主動(dòng)管理這些要素。通過(guò)無(wú)縫協(xié)調實(shí)時(shí)調整，這些系統不僅可以預測故障，還能為預防性診斷鋪平道路，將系統效率和可靠性提升到更高水平。 實(shí)際應用 48 V電源電壓已應用到眾多領(lǐng)域和技術(shù)中。下文的一些實(shí)際例子將帶您理解其重要意義： 電信電源系統
圖5.電信——48 V配電系統5 電信網(wǎng)絡(luò )是現代社會(huì )的基石，而電信網(wǎng)絡(luò )的穩定運行離不開(kāi)持續可靠的電力供應。48 V架構作為可靠性和效率的基礎，正逐漸嶄露頭角，改變電信電源系統的格局。參見(jiàn)圖5。這些系統負責提供全球通信，其電力基礎設施必須要能夠承受地區差異和停電意外。 然而，48 V架構的真正優(yōu)勢在于可以克服地理限制。在偏遠的內陸地區和受災地區，傳統電力基礎設施可能缺失或老化，但48 V架構不會(huì )受到影響。即使環(huán)境條件較為苛刻，它也能可靠地提供電力，成為通信服務(wù)的有力保障。該架構固有的耐久性確保孤立無(wú)援的群眾能在需要幫助時(shí)保持聯(lián)系，在緊急情況下保障關(guān)鍵通信，并通過(guò)超強連接能力促進(jìn)農村發(fā)展。 工業(yè)自動(dòng)化中的電力驅動(dòng) 在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，精度和效率至關(guān)重要。48 V電源電壓在這種動(dòng)態(tài)環(huán)境中大放異彩，可以為電動(dòng)機、傳送帶到機械臂等各種關(guān)鍵部件提供動(dòng)力。該電壓電平是功率密度和控制的基礎，不僅能協(xié)調系統穩定運行，還能減少能量損失，并進(jìn)一步提高工業(yè)自動(dòng)化水平。 混合電力系統 混合電力系統為難以接入傳統電網(wǎng)的農村和無(wú)電網(wǎng)地區帶來(lái)了新的能源使用方式。這些先進(jìn)系統將可再生能源（主要是太陽(yáng)能電池板）與現代儲能設施無(wú)縫結合，提供可靠且可持續的能源解決方案。在本例中，48 V電源電壓與太陽(yáng)能輸出的兼容性，對于有效彌補太陽(yáng)能電池板能量與各種應用需求之間的差距具有重要影響。 48 V電源電壓與太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的電壓范圍完全一致，有助于實(shí)現高效的能量轉換和分配。這種兼容性消除了高壓轉換的需要，而高壓轉換是能源損失、效率低下和成本增加的主要原因。48 V架構通過(guò)與太陽(yáng)能輸出準確匹配來(lái)盡可能提高能量收集效率，太陽(yáng)能產(chǎn)生的電力可以直接進(jìn)入系統，損失很小。 此外，48 V電源電壓和太陽(yáng)能輸出的一致性使混合電力系統安裝具有良好的成本效益。簡(jiǎn)化的電壓轉換過(guò)程無(wú)需復雜且昂貴的器件，安裝和維護成本更低。這種可以降低成本的做法，對于那些遠離電網(wǎng)的社區和企業(yè)來(lái)說(shuō)是一次意義重大的變革，不僅讓可再生能源觸手可及，還帶來(lái)了更加經(jīng)濟的解決方案。 電動(dòng)汽車(chē)
圖6.48 V輕度混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)6 48 V設計在電動(dòng)汽車(chē)中的應用（如圖6所示）是一個(gè)戰略性步驟，帶來(lái)了諸多益處。這種電壓范式對于改善全車(chē)子系統的電源分配非常重要。除了在電源分配中的作用外，48 V架構還提供一系列新功能，例如再生制動(dòng)，即在制動(dòng)過(guò)程中回收能量。此外還支持集成有助于提高乘客舒適度的輔助系統，包括高級HVAC（供暖、通風(fēng)和空調）系統和先進(jìn)多媒體設備。48 V架構使得這種全面的電動(dòng)汽車(chē)設計成為可能，不僅提升了能源經(jīng)濟性，而且通過(guò)優(yōu)化功率使用、資源管理和車(chē)內便利設施，改善了整體駕駛體驗。 雖然48 V電源電壓可以為系統級應用帶來(lái)不少優(yōu)勢，但我們也必須正視這種系統可能存在的一些缺點(diǎn)。 需要考慮的缺點(diǎn)： 組件兼容性和可用性 切換到48 V電源電壓需要仔細評估現有系統組件，進(jìn)而某些組件可能需要更換或調整。然而，一個(gè)潛在問(wèn)題是，能兼容指定額定電壓的組件不多。這可能導致采購價(jià)格上漲，系統順利整合的時(shí)間也可能延后。因此，制定正確的戰略規劃和采購方案很重要。參見(jiàn)圖7。 設計復雜度 48 V電源電壓往往會(huì )導致在一個(gè)時(shí)期內增加設計復雜度。實(shí)施階段通常需要謹慎處理復雜的設計問(wèn)題，例如準確的電壓調節、完善的熱管理策略和穩健的安全標準。復雜性提高可能會(huì )延長(cháng)開(kāi)發(fā)周期，并增加對具體技術(shù)技能的需求。因此，企業(yè)需要組建一支經(jīng)驗豐富、能力出眾的設計團隊，以便高效應對這些復雜的挑戰。 電壓相關(guān)風(fēng)險更高 雖然48 V并不是特別高，但也仍然可能帶來(lái)安全問(wèn)題，尤其是在沒(méi)有充分實(shí)施基本安全預防措施的情況下。電壓電平升高可能會(huì )提升觸電風(fēng)險和其他危險，因此必須采取嚴格的安全預防措施。 轉換損耗增加 當需要轉換電壓以便為需要較低電壓電平的組件（如傳感器或低功耗設備）供電時(shí)，額外的轉換步驟可能會(huì )導致提高系統中的能量損失。這會(huì )抵消48 V電源電壓的一些能效提升優(yōu)勢。 傳統系統采用有限 對于針對較低電壓電平的傳統系統，切換到48 V電源電壓需要進(jìn)行仔細評估。后續的調整工作可能會(huì )面臨一些障礙，使其既不切實(shí)際，又成本過(guò)高。改造現有基礎設施以順利支持48 V標準可能是一項復雜且耗時(shí)的任務(wù)，需要進(jìn)行重大調整和戰略規劃，以確保兼容性和出色性能。 尺寸和空間限制 雖然48 V設備的電流水平較低，可支持更高的功率密度，但可能不適合對尺寸和空間有嚴格要求的應用。額外的絕緣和安全預防措施要求可能導致組件尺寸加大。參見(jiàn)圖8。 電磁干擾(EMI)增加 電壓電平升高會(huì )增加電磁干擾(EMI)，進(jìn)而還會(huì )導致嚴重問(wèn)題。電磁干擾會(huì )讓精密組件和復雜通信網(wǎng)絡(luò )無(wú)法平穩運行。因此，有必要額外采用屏蔽技術(shù)和高標準濾波技術(shù)，以有效抵消和減輕EMI的負面影響，確保關(guān)鍵系統持續可靠運行。 可擴展性挑戰 雖然48 V對于許多應用來(lái)說(shuō)都是合理的選擇，但某些情況可能會(huì )有更優(yōu)選。某些應用，特別是功率水平更高的應用，可能需要使用其他電壓設計來(lái)滿(mǎn)足特定需求。 成本考慮 采用48 V電源電壓需要仔細考慮前期成本，包括更換組件、協(xié)調系統開(kāi)發(fā)以及實(shí)施關(guān)鍵安全措施等的成本。這些初始費用可能會(huì )對整個(gè)項目預算產(chǎn)生顯著(zhù)影響，具體影響取決于實(shí)際應用和所處的行業(yè)。面對這些潛在的費用，明智地分配資源對于能否順利整合和實(shí)現成功至關(guān)重要。 結論 48 V電源電壓不再是小眾選擇，而且已經(jīng)成為了系統級、工業(yè)和通信應用的關(guān)鍵組成部分，可以滿(mǎn)足人們日益增長(cháng)的節能解決方案需求，并兼具效率更高、功率密度更高和設計靈活性更大等優(yōu)勢然而，48 V應用的成功離不開(kāi)高效的電源轉換、嚴格的熱管理、穩健的安全預防措施、標準化的通信協(xié)議以及復雜的監測和控制系統。隨著(zhù)技術(shù)環(huán)境的演變，48 V電源電壓仍是多個(gè)領(lǐng)域的關(guān)鍵創(chuàng )新推動(dòng)因素，未來(lái)將繼續提供高效可靠的動(dòng)力。
圖7.電解液干涸造成電解電容器電容降低7
圖8.電容器輸出側電路安裝注意事項8 此外，在系統級應用中，48 V電源電壓能帶來(lái)顯著(zhù)優(yōu)勢，值得設計人員或應用工程師深入研究。然而，我們也必須全面權衡，充分認識到這種選擇可能帶來(lái)的潛在弊端。針對特定應用，為了明智地使用該電壓電平，應綜合考慮組件兼容性、設計復雜度、安全預防措施、能量轉換損耗和相關(guān)成本。 參考資料 1 Brad Xiao和Nazzareno “Reno” Rossetti，“處理48 V至12 V降壓”，《Power Electronics Tips》（電源提示），2021年2月。 2 Christian Cruz、Gary Sapia和Marvin Neil Cabueñas，“實(shí)現不間斷能源的智能備用電池第一部分：電氣和機械設計”，《模擬對話(huà)》，第57卷第4期，2023年12月。 3 Anant Kamath，“簡(jiǎn)化HEV 48 V系統的隔離CAN電源接口”，《Electronic Design》（電子設計），2019年4月。 4 Glenn Charest、Steve Mills和Loren Vorreiter，“Open Rack V3基本規范”，開(kāi)放計算項目，2022年9月。 5 “電信系統電源”，ADI公司，2002年7月。 6 “48 V降壓轉換器助力MHEV滿(mǎn)足燃料排放標準”，ADI公司，2020年3月。 7 “它對于數據中心而言是否必不可少？需要48 V電源的原因以及相關(guān)電源設計挑戰”，Panasonic Industry，2021年8月。 作者簡(jiǎn)介 Christian Cruz是ADI菲律賓公司的應用開(kāi)發(fā)工程師。他擁有菲律賓馬尼拉東方大學(xué)的電子工程學(xué)士學(xué)位。他在模擬和數字設計、固件設計和電力電子領(lǐng)域擁有超過(guò)12年的工程經(jīng)驗，包括電源管理IC開(kāi)發(fā)以及AC-DC和DC-DC電源轉換。他于2020年加入ADI公司，目前負責支持基于云的計算和系統通信應用的電源管理需求。 |
