新興的48V生態(tài)系統(tǒng)?

由于其特性，48V一直被認(rèn)為是最高的“安全電壓”。根據(jù) UL 或 IAC 等標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證機(jī)構(gòu)，60V 是開始需要對(duì)電纜進(jìn)行額外保護(hù)(例如電流隔離或額外強(qiáng)度絕緣)的電壓級(jí)別。為降低成本和保護(hù)等級(jí)，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(hù)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(jià)值且高效的解決方案。我們可以確定三個(gè)主要的興趣領(lǐng)域：汽車、云和機(jī)器人。在接下來的段落中，我們將研究是什么推動(dòng)了每個(gè)領(lǐng)域中的 48V 電源，以及如何利用從一個(gè)領(lǐng)域到另一個(gè)領(lǐng)域的一些改進(jìn)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(shì)表明，由于 12V 啟動(dòng)/停止功能的廣泛應(yīng)用，如今電動(dòng)汽車已經(jīng)占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)地位。隨著我們的前進(jìn)，這種趨勢(shì)將在未來幾年繼續(xù)發(fā)展，包括輕度混合動(dòng)力、全混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車。所有電動(dòng)汽車都可以成功采用 48V 總線，并且將通過自動(dòng)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(shí)間。例如，圖 2 概述了 12V 電池和皮帶啟動(dòng)發(fā)電機(jī)，它們將啟動(dòng)電機(jī)并可能在制動(dòng)期間再生一些電力。有趣的是，所有這些設(shè)計(jì)仍然可以在 48V 總線上正常工作。隨著時(shí)間的推移，所有汽車負(fù)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(jī)。除了動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)(需要更高的電壓)，48V 總線可以支持多種汽車應(yīng)用：?jiǎn)?dòng)發(fā)電機(jī)、電池管理系統(tǒng)、輔助電機(jī)、DC/DC 轉(zhuǎn)換器和電子保險(xiǎn)絲。

云

云依賴于強(qiáng)大而高效的服務(wù)器，這些服務(wù)器負(fù)責(zé)所有相關(guān)的計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)。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(hù)設(shè)備、多相控制器、外圍設(shè)備、負(fù)載點(diǎn) (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(dá)到并超過 1 kW。由于機(jī)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?yàn)樗婕案偷膫鬏敁p耗并有助于減小導(dǎo)體尺寸。可以選擇漸進(jìn)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(gè)傳統(tǒng)的電源架構(gòu)，前端有一個(gè) UPS、一個(gè)圍繞機(jī)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(fù)載點(diǎn))。這確實(shí)是一個(gè)很好的解決方案，因?yàn)樵S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(jī)架供電，現(xiàn)在只進(jìn)行DC/DC轉(zhuǎn)換，UPS可以直接連接到機(jī)架上。這種解決方案的缺點(diǎn)是直流高壓(400V 總線)比交流高壓更難保護(hù)。

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(fù)載點(diǎn)。由于核心處理器的要求，這種解決方案是一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的解決方案。事實(shí)上，核心處理器需要大約 1V 的電壓，但對(duì)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(dòng)態(tài)要求對(duì)負(fù)載施加了高效率。圖 5 顯示了由 Google 設(shè)計(jì)并免費(fèi)提供的高效率和高密度開關(guān)槽式轉(zhuǎn)換器，顯示了對(duì)實(shí)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(chǎng)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(jì)劃在未來幾年內(nèi)實(shí)施。

機(jī)器人

另一個(gè)可以應(yīng)用 48V 電源的領(lǐng)域是工業(yè)自動(dòng)化：我們指的是協(xié)作機(jī)器人、送貨無人機(jī)和類似電池供電的設(shè)備。例如，協(xié)作機(jī)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(jī)器人涉及12V和24V的電機(jī)解決方案很多。為簡(jiǎn)單起見，請(qǐng)考慮機(jī)器人手臂的大小。關(guān)節(jié)的大小將由其內(nèi)部的電機(jī)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(gè)圖表中總結(jié)上面提到的注意事項(xiàng)，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?yàn)樵陔妱?dòng)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(dòng)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(huì)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(kuò)展到所有應(yīng)用。汽車將需要多相降壓轉(zhuǎn)換器來滿足對(duì)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(dòng)化中，它們可能用于為機(jī)器人中涉及的所有傳感器和處理單元供電。轉(zhuǎn)到負(fù)載點(diǎn)，我們遇到了類似的情況：我們?cè)谄?、云服?wù)器和工業(yè)應(yīng)用中擁有傳感器、外圍設(shè)備和計(jì)算設(shè)備。另一個(gè)重要的電源解決方案是電機(jī)驅(qū)動(dòng)。我們知道汽車內(nèi)部有多種電機(jī)：風(fēng)扇、泵、渦輪增壓器、壓縮機(jī)等等。在云系統(tǒng)中，冷卻系統(tǒng)通常需要服務(wù)器電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

在工業(yè)自動(dòng)化中，電機(jī)顯然用于提供運(yùn)動(dòng)并支持其他機(jī)器人功能，例如抓取、提升、牽引、驅(qū)動(dòng)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(hù)。在工業(yè)自動(dòng)化中，我們可以考慮一個(gè)有模塊化機(jī)器人的場(chǎng)景，我們可以在系統(tǒng)上線時(shí)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(jiǎn)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(xiǎn)絲，這是一種集成保護(hù)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(hù)設(shè)備，允許在總線帶電時(shí)插入或取出某些東西，從而保護(hù)總線和熱插拔設(shè)備。典型的 eFuse 具有多種保護(hù)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(dòng)或通過控制器遠(yuǎn)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(shí)會(huì)產(chǎn)生浪涌電流和高壓尖峰。圖 8 顯示了如何使用 eFuse 實(shí)現(xiàn)負(fù)載電流和負(fù)載電壓的逐漸上升。

圖 8：使用 eFuse 時(shí)的負(fù)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(huì)看到一個(gè)接線盒，所有東西都需要穿過它，還有一些很長(zhǎng)的重型電纜，為負(fù)載帶來直流電壓。接線盒包含保險(xiǎn)絲，每次其中一個(gè)燒毀時(shí)，我們需要打開接線盒并更換一個(gè)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(gè) 48V 電路，它連接到汽車的各個(gè)角落，在每個(gè)角落，我們都有一個(gè)保護(hù)電纜的 eFuse 和一個(gè)保護(hù)負(fù)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?yàn)樗鼈兏??？偛季€重量和成本也可以減少。也許在未來，可以直接從智能手機(jī)重置 eFuse。基于 eFuse 的解決方案確實(shí)是一項(xiàng)重大改進(jìn)，使汽車更像是電子設(shè)備，而不是大型機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)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(jí)中使用的那些(圖 11)，采用緊湊的 PQFN 封裝。