48V技術(shù)的魅力：系統(tǒng)級應(yīng)用中的重要性、優(yōu)勢與關(guān)鍵要素

簡介

48 V電源電壓用途廣泛且與現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施兼容，因此在各種應(yīng)用中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。以前，配電系統(tǒng)嚴(yán)重依賴標(biāo)準(zhǔn)12 V或24 V電平。然而，現(xiàn)代設(shè)備和電子產(chǎn)品的功率需求不斷增加，對系統(tǒng)效率和能源經(jīng)濟(jì)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(shù)據(jù)中心匯集了超級計(jì)算機(jī)等高算力設(shè)備，非常需要節(jié)能解決方案。48 V電源電壓在傳輸效率和轉(zhuǎn)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行業(yè)，尤其是電動汽車(EV)。電動汽車的先進(jìn)功能和電驅(qū)動子系統(tǒng)日漸增加，人們也越來越需要更節(jié)能的解決方案。48 V架構(gòu)改善了再生制動期間的能量回收，并更易于集成電子轉(zhuǎn)向助力和高級駕駛員輔助系統(tǒng)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(tǒng)效率，還能為設(shè)計(jì)提供更靈活的選擇。以下是一些主要優(yōu)勢：

※   I²R損耗更低

    ■   配電系統(tǒng)中的電阻損耗（I2R損耗）會對效率產(chǎn)生重大影響。與較低電壓系統(tǒng)相比，功率水平一定時(shí)，48 V電源電壓系統(tǒng)的電流更低。因此，傳輸過程中的I2R損耗更低，整體系統(tǒng)效率更高。

※   功率密度更高

    ■   與較低電壓系統(tǒng)相比，48 V電源電壓支持使用更小的導(dǎo)線和元件來傳輸同一功率。這相當(dāng)于提高了功率密度，因此可以讓設(shè)計(jì)更加緊湊，特別適合空間有限的應(yīng)用。

※   增強(qiáng)電壓調(diào)節(jié)能力

    ■   根據(jù)定義，電壓電平越高，電壓調(diào)節(jié)能力越強(qiáng)，這對于波動敏感型應(yīng)用非常關(guān)鍵。為了保持可靠運(yùn)行，工業(yè)自動化和通信系統(tǒng)通常需要穩(wěn)定且經(jīng)過良好調(diào)節(jié)的電壓電平。

※   設(shè)計(jì)靈活性

    ■   48 V電源電壓支持更多設(shè)計(jì)選擇。支持集成電壓需求各不相同的眾多子系統(tǒng)。電機(jī)、傳感器和通信接口都可以在同一個(gè)系統(tǒng)中共存。

※   與可再生能源兼容

    ■   48 V電源電壓與可再生能源系統(tǒng)（如太陽能裝置）中太陽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(xiàn)有電力系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)內(nèi)的高效電壓轉(zhuǎn)換¹

48V電源電壓實(shí)施要點(diǎn)

實(shí)施過程中必須充分考量注意事項(xiàng)，才能充分利用48 V電源電壓的優(yōu)勢。讓我們從系統(tǒng)級、工業(yè)和通信應(yīng)用的角度來了解這些基礎(chǔ)知識。

高效電壓轉(zhuǎn)換

雖然48 V越來越受歡迎，但并非所有設(shè)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(zhuǎn)換方法（如DC-DC轉(zhuǎn)換器）來降低電壓，以滿足子系統(tǒng)對更低電源電壓的需求。參見圖1。

熱管理

圖2 ADI-BBU模塊²和四分之一磚塊參考設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)方法可能會產(chǎn)生較大的熱量。散熱器、風(fēng)扇和熱設(shè)計(jì)考慮等熱管理方法對于確保48V組件的壽命和可靠性至為關(guān)鍵。

安全措施

圖3 輕度混合動力電動汽車中48V與12V之間的電氣隔離³

安全是所有電氣系統(tǒng)的重中之重。雖然48V電源電壓不是特別高，但也必須配備足夠的安全預(yù)防措施，例如電路保護(hù)、隔離柵和接地，以避免與電氣故障相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。48V和12V系統(tǒng)應(yīng)用就使用了隔離柵來實(shí)現(xiàn)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 開放計(jì)算項(xiàng)目Open Rack V3架構(gòu)⁴

在現(xiàn)代工業(yè)和通信應(yīng)用中，互操作性至關(guān)重要。實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化的通信協(xié)議可確保在48V運(yùn)行的子系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)無縫的數(shù)據(jù)交換，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。開放計(jì)算項(xiàng)目（OCP）正在引領(lǐng)新的數(shù)據(jù)中心架構(gòu)的持續(xù)采用。該組織為48V系統(tǒng)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(gòu)設(shè)計(jì)。請參見圖4。

監(jiān)測與控制

為使系統(tǒng)始終保持出色性能，需要持續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測電壓電平、電流和溫度?？梢圆捎弥悄芸刂葡到y(tǒng)來主動管理這些要素。通過無縫協(xié)調(diào)實(shí)時(shí)調(diào)整，這些系統(tǒng)不僅可以預(yù)測故障，還能為預(yù)防性診斷鋪平道路，將系統(tǒng)效率和可靠性提升到更高水平。

實(shí)際應(yīng)用

48V電源電壓已應(yīng)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(tǒng)

圖5 電信——48V配電系統(tǒng)⁵

電信網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)代社會的基石，而電信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行離不開持續(xù)可靠的電力供應(yīng)。48V架構(gòu)作為可靠性和效率的基礎(chǔ)，正逐漸嶄露頭角，改變電信電源系統(tǒng)的格局。參見圖5。這些系統(tǒng)負(fù)責(zé)提供全球通信，其電力基礎(chǔ)設(shè)施必須要能夠承受地區(qū)差異和停電意外。

然而，48V架構(gòu)的真正優(yōu)勢在于可以克服地理限制。在偏遠(yuǎn)的內(nèi)陸地區(qū)和受災(zāi)地區(qū)，傳統(tǒng)電力基礎(chǔ)設(shè)施可能缺失或老化，但48V架構(gòu)不會受到影響。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(gòu)固有的耐久性確保孤立無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，并通過超強(qiáng)連接能力促進(jìn)農(nóng)村發(fā)展。

工業(yè)自動化中的電力驅(qū)動

在工業(yè)自動化領(lǐng)域，精度和效率至關(guān)重要。48 V電源電壓在這種動態(tài)環(huán)境中大放異彩，可以為電動機(jī)、傳送帶到機(jī)械臂等各種關(guān)鍵部件提供動力。該電壓電平是功率密度和控制的基礎(chǔ)，不僅能協(xié)調(diào)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，還能減少能量損失，并進(jìn)一步提高工業(yè)自動化水平。

混合電力系統(tǒng)

混合電力系統(tǒng)為難以接入傳統(tǒng)電網(wǎng)的農(nóng)村和無電網(wǎng)地區(qū)帶來了新的能源使用方式。這些先進(jìn)系統(tǒng)將可再生能源（主要是太陽能電池板）與現(xiàn)代儲能設(shè)施無縫結(jié)合，提供可靠且可持續(xù)的能源解決方案。在本例中，48 V電源電壓與太陽能輸出的兼容性，對于有效彌補(bǔ)太陽能電池板能量與各種應(yīng)用需求之間的差距具有重要影響。

48 V電源電壓與太陽能電池板產(chǎn)生的電壓范圍完全一致，有助于實(shí)現(xiàn)高效的能量轉(zhuǎn)換和分配。這種兼容性消除了高壓轉(zhuǎn)換的需要，而高壓轉(zhuǎn)換是能源損失、效率低下和成本增加的主要原因。48 V架構(gòu)通過與太陽能輸出準(zhǔn)確匹配來盡可能提高能量收集效率，太陽能產(chǎn)生的電力可以直接進(jìn)入系統(tǒng)，損失很小。

此外，48 V電源電壓和太陽能輸出的一致性使混合電力系統(tǒng)安裝具有良好的成本效益。簡化的電壓轉(zhuǎn)換過程無需復(fù)雜且昂貴的器件，安裝和維護(hù)成本更低。這種可以降低成本的做法，對于那些遠(yuǎn)離電網(wǎng)的社區(qū)和企業(yè)來說是一次意義重大的變革，不僅讓可再生能源觸手可及，還帶來了更加經(jīng)濟(jì)的解決方案。

電動汽車

圖6 48V輕度混合動力電動汽車⁶

48V設(shè)計(jì)在電動汽車中的應(yīng)用（如圖6所示）是一個(gè)戰(zhàn)略性步驟，帶來了諸多益處。這種電壓范式對于改善全車子系統(tǒng)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(gòu)還提供一系列新功能，例如再生制動，即在制動過程中回收能量。此外還支持集成有助于提高乘客舒適度的輔助系統(tǒng)，包括高級HVAC（供暖、通風(fēng)和空調(diào)）系統(tǒng)和先進(jìn)多媒體設(shè)備。48 V架構(gòu)使得這種全面的電動汽車設(shè)計(jì)成為可能，不僅提升了能源經(jīng)濟(jì)性，而且通過優(yōu)化功率使用、資源管理和車內(nèi)便利設(shè)施，改善了整體駕駛體驗(yàn)。

雖然48 V電源電壓可以為系統(tǒng)級應(yīng)用帶來不少優(yōu)勢，但我們也必須正視這種系統(tǒng)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(xì)評估現(xiàn)有系統(tǒng)組件，進(jìn)而某些組件可能需要更換或調(diào)整。然而，一個(gè)潛在問題是，能兼容指定額定電壓的組件不多。這可能導(dǎo)致采購價(jià)格上漲，系統(tǒng)順利整合的時(shí)間也可能延后。因此，制定正確的戰(zhàn)略規(guī)劃和采購方案很重要。參見圖7。

設(shè)計(jì)復(fù)雜度

48 V電源電壓往往會導(dǎo)致在一個(gè)時(shí)期內(nèi)增加設(shè)計(jì)復(fù)雜度。實(shí)施階段通常需要謹(jǐn)慎處理復(fù)雜的設(shè)計(jì)問題，例如準(zhǔn)確的電壓調(diào)節(jié)、完善的熱管理策略和穩(wěn)健的安全標(biāo)準(zhǔn)。復(fù)雜性提高可能會延長開發(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(yàn)豐富、能力出眾的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，以便高效應(yīng)對這些復(fù)雜的挑戰(zhàn)。

電壓相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)更高

雖然48 V并不是特別高，但也仍然可能帶來安全問題，尤其是在沒有充分實(shí)施基本安全預(yù)防措施的情況下。電壓電平升高可能會提升觸電風(fēng)險(xiǎn)和其他危險(xiǎn)，因此必須采取嚴(yán)格的安全預(yù)防措施。

轉(zhuǎn)換損耗增加

當(dāng)需要轉(zhuǎn)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(shè)備）供電時(shí)，額外的轉(zhuǎn)換步驟可能會導(dǎo)致提高系統(tǒng)中的能量損失。這會抵消48 V電源電壓的一些能效提升優(yōu)勢。

傳統(tǒng)系統(tǒng)采用有限

對于針對較低電壓電平的傳統(tǒng)系統(tǒng)，切換到48 V電源電壓需要進(jìn)行仔細(xì)評估。后續(xù)的調(diào)整工作可能會面臨一些障礙，使其既不切實(shí)際，又成本過高。改造現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施以順利支持48 V標(biāo)準(zhǔn)可能是一項(xiàng)復(fù)雜且耗時(shí)的任務(wù)，需要進(jìn)行重大調(diào)整和戰(zhàn)略規(guī)劃，以確保兼容性和出色性能。

尺寸和空間限制

雖然48 V設(shè)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(yán)格要求的應(yīng)用。額外的絕緣和安全預(yù)防措施要求可能導(dǎo)致組件尺寸加大。參見圖8。

電磁干擾(EMI)增加

電壓電平升高會增加電磁干擾(EMI)，進(jìn)而還會導(dǎo)致嚴(yán)重問題。電磁干擾會讓精密組件和復(fù)雜通信網(wǎng)絡(luò)無法平穩(wěn)運(yùn)行。因此，有必要額外采用屏蔽技術(shù)和高標(biāo)準(zhǔn)濾波技術(shù)，以有效抵消和減輕EMI的負(fù)面影響，確保關(guān)鍵系統(tǒng)持續(xù)可靠運(yùn)行。

可擴(kuò)展性挑戰(zhàn)

雖然48 V對于許多應(yīng)用來說都是合理的選擇，但某些情況可能會有更優(yōu)選。某些應(yīng)用，特別是功率水平更高的應(yīng)用，可能需要使用其他電壓設(shè)計(jì)來滿足特定需求。

成本考慮

采用48 V電源電壓需要仔細(xì)考慮前期成本，包括更換組件、協(xié)調(diào)系統(tǒng)開發(fā)以及實(shí)施關(guān)鍵安全措施等的成本。這些初始費(fèi)用可能會對整個(gè)項(xiàng)目預(yù)算產(chǎn)生顯著影響，具體影響取決于實(shí)際應(yīng)用和所處的行業(yè)。面對這些潛在的費(fèi)用，明智地分配資源對于能否順利整合和實(shí)現(xiàn)成功至關(guān)重要。

結(jié)論

48 V電源電壓不再是小眾選擇，而且已經(jīng)成為了系統(tǒng)級、工業(yè)和通信應(yīng)用的關(guān)鍵組成部分，可以滿足人們?nèi)找嬖鲩L的節(jié)能解決方案需求，并兼具效率更高、功率密度更高和設(shè)計(jì)靈活性更大等優(yōu)勢然而，48 V應(yīng)用的成功離不開高效的電源轉(zhuǎn)換、嚴(yán)格的熱管理、穩(wěn)健的安全預(yù)防措施、標(biāo)準(zhǔn)化的通信協(xié)議以及復(fù)雜的監(jiān)測和控制系統(tǒng)。隨著技術(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)新推動因素，未來將繼續(xù)提供高效可靠的動力。

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(cè)電路安裝注意事項(xiàng)⁸

此外，在系統(tǒng)級應(yīng)用中，48 V電源電壓能帶來顯著優(yōu)勢，值得設(shè)計(jì)人員或應(yīng)用工程師深入研究。然而，我們也必須全面權(quán)衡，充分認(rèn)識到這種選擇可能帶來的潛在弊端。針對特定應(yīng)用，為了明智地使用該電壓電平，應(yīng)綜合考慮組件兼容性、設(shè)計(jì)復(fù)雜度、安全預(yù)防措施、能量轉(zhuǎn)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 Cabue?as，“實(shí)現(xiàn)不間斷能源的智能備用電池第一部分：電氣和機(jī)械設(shè)計(jì)”，《模擬對話》，第57卷第4期，2023年12月。

3 Anant Kamath，“簡化HEV 48 V系統(tǒng)的隔離CAN電源接口”，《Electronic Design》（電子設(shè)計(jì)），2019年4月。

4 Glenn Charest、Steve Mills和Loren Vorreiter，“Open Rack V3基本規(guī)范”，開放計(jì)算項(xiàng)目，2022年9月。

5 “電信系統(tǒng)電源”，ADI公司，2002年7月。

6 “48 V降壓轉(zhuǎn)換器助力MHEV滿足燃料排放標(biāo)準(zhǔn)”，ADI公司，2020年3月。

7 “它對于數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)挑戰(zhàn)”，Panasonic Industry，2021年8月。

作者簡介

Christian Cruz是ADI菲律賓公司的應(yīng)用開發(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(shù)字設(shè)計(jì)、固件設(shè)計(jì)和電力電子領(lǐng)域擁有超過12年的工程經(jīng)驗(yàn)，包括電源管理IC開發(fā)以及AC-DC和DC-DC電源轉(zhuǎn)換。他于2020年加入ADI公司，目前負(fù)責(zé)支持基于云的計(jì)算和系統(tǒng)通信應(yīng)用的電源管理需求。