【導讀】將電能由電源傳輸?shù)椒植荚陔娮酉到y(tǒng)中的各個負載，這個工作主要是由配電網(wǎng)絡（簡稱為PDN）來完成的。PDN一般由電纜、匯流排、連接器、PCB中的銅箔電源層、電源轉(zhuǎn)換器和穩(wěn)壓器組成，根據(jù)配電網(wǎng)絡的電壓通常被分為低電壓（LV）、高電壓（HV）和超高電壓（UHV）三類。隨著負載點用電功率的提升，提高配電網(wǎng)絡電壓，成了一個大趨勢——以低電壓PDN為例，從傳統(tǒng)的12V向48V系統(tǒng)升級，一直是近年來電源工程師們努力的方向。
為什么要提升配電網(wǎng)絡的電壓？這個原因很容易理解：系統(tǒng)負載功率增加后，根據(jù)功率公式P=I*V，電壓不變而想要承載更大的功率，就需要增加電流。而電流的增加一方面會使電能傳輸過程中的功率消耗加大，另一方面也需要使用更大尺寸的組件（如電纜、連接器、PCB板），這就會給系統(tǒng)整體性能帶來很大的挑戰(zhàn)。而通過提高配電電壓，就可以在承載大功率的同時有效減少電流，優(yōu)化整個系統(tǒng)的功耗、體積和成本。
48V配電系統(tǒng)的應用
新能源汽車（包括混合動力和純電動汽車），應該是對48V配電系統(tǒng)最為期待的一個行業(yè)。傳統(tǒng)的汽車是基于12V系統(tǒng)為車載電器供電，而隨著汽車上電子設備的增加，這個低電壓系統(tǒng)越發(fā)顯得捉襟見肘，特別是在增加了電動啟停功能之后，12V系統(tǒng)基本上就達到了性能的“極限”。
而未來汽車中，ADAS和自動駕駛等功能的引入，會在汽車中添加攝像頭、毫米波雷達、激光雷達等更豐富的傳感器，以及更高性能的計算處理單元——預計未來的車載計算機會消耗上千瓦電力——12V配電系統(tǒng)這匹“小馬”確實很難再拉動新能源汽車這輛“大車”了。這時，48V配電系統(tǒng)也就成了一個重要的技術(shù)轉(zhuǎn)變。
另一個對48V配電系統(tǒng)寄予厚望的領(lǐng)域是數(shù)據(jù)中心。在智能社會中，數(shù)據(jù)中心集中了越來越多的計算資源，承載著越來越重的計算任務，特別是機器學習等人工智能（AI）技術(shù)的應用，更使得計算工作量大幅增加，這就令高密度部署CPU、GPU、FPGA、ASIC等高性能處理單元成為數(shù)據(jù)中心的剛需。這意味著不論是單顆處理器，還是整體計算處理系統(tǒng)的功耗都會不斷攀升。將服務器的配電系統(tǒng)從12V升級到48V，無疑是應對這一挑戰(zhàn)最有效的方法之一。
2016年3月，Google發(fā)布了基于48V架構(gòu)的CPU服務器；2018年3月，Nvidia也發(fā)布了其48V的GPU服務器和板卡——這兩個標志性的事件算是吹響了高端服務器應用轉(zhuǎn)向48V系統(tǒng)的號角。目前，許多全新的AI加速卡都會有48V輸入，以支持AI處理器500W至750W的功率等級。
12V與48V系統(tǒng)的集成
不過，48V配電系統(tǒng)的前景雖然一片大好，但是實現(xiàn)這個目標也不是一蹴而就的?？紤]到生態(tài)完善、存量巨大的12V系統(tǒng)和設備，在向48V邁進的過程中，如何在12V和48V系統(tǒng)之間做高效而可靠的橋接，將12V和48V系統(tǒng)集成在一起，是一個必須認真考慮的課題。
比如在汽車領(lǐng)域，雖然48V配電系統(tǒng)優(yōu)勢明顯，但是在負載端12V的車載設備仍是主流，這就需要在48V配電總線和12V的負載點之間進行一級電壓轉(zhuǎn)換橋接。
圖1：在輕度混合動力汽車中的48V/12V橋接應用
（圖源：Vicor）
再來看數(shù)據(jù)中心，其面臨的一個主要的應用場景就是，如何讓12V的傳統(tǒng)機架能夠使用48V的高性能（也是高功率）AI加速板卡。這時就需要在兩者之間來一次12V至48V的橋接，以便將先進AI功能添加到老式機架系統(tǒng)中。當然，對于已經(jīng)升級至48V系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，也有支持原有12V負載的需求，這需要48V至12V的橋接來完成。
圖2：在數(shù)據(jù)中心服務器中的12V/48V橋接應用
（圖源：Vicor）
12V / 48V橋接方案的選擇
在12V / 48V橋接技術(shù)方案的選擇上，固定比率轉(zhuǎn)換器是一個非常合適的架構(gòu)。
固定比率轉(zhuǎn)換器是一種輸出電壓與輸入電壓比為固定分數(shù)的DC-DC轉(zhuǎn)換器，輸入至輸出電壓范圍由器件的“匝數(shù)比（也稱為K因數(shù)）”來定義。這種架構(gòu)決定了固定比率轉(zhuǎn)換器有一個特點，就是能夠進行雙向功率及電壓轉(zhuǎn)換。如下圖所示，這個固定比率轉(zhuǎn)換器既可以作為K=1/12的降壓轉(zhuǎn)換器來使用，也可以支持K=12/1的升壓轉(zhuǎn)換操作。這種雙向橋接的特點，給設計帶來了很大的靈活性。
圖3：固定比率轉(zhuǎn)換器架構(gòu)
（圖源：Vicor）
另一方面，固定比率轉(zhuǎn)換器是不帶穩(wěn)壓器的，因此其可以實現(xiàn)很高的效率，由此帶來的更高的功率密度和更低的功耗，可為系統(tǒng)的熱管理提供極大的便利。而負載點的穩(wěn)壓功能，則可以由下游的DC-DC穩(wěn)壓器來完成，這樣的系統(tǒng)架構(gòu)，有利于實現(xiàn)更優(yōu)的性能及系統(tǒng)成本。
再有，根據(jù)不同的設計要求，固定比率轉(zhuǎn)換器可以擴展出不同的產(chǎn)品組合。比如在高電壓配電系統(tǒng)中，可以選擇具有隔離功能的固定比率轉(zhuǎn)換器；而在48V這種適應SELV環(huán)境的安全低電壓系統(tǒng)中，則可使用非隔離的器件。
總之，高密度、高效率和靈活的架構(gòu)等優(yōu)勢，使得固定比率轉(zhuǎn)換器成為12V / 48V橋接理想的解決方案。
高效率、小型化解決方案
Vicor公司的NBM2317就是一款支持在配電系統(tǒng)中高效實現(xiàn)12V與48V橋接的總線轉(zhuǎn)換器，可以提供800W的持續(xù)功率，并支持1kW的峰值功率，效率高達97.9%！
圖4：NBM2317總線轉(zhuǎn)換器
（圖源：Vicor）
NBM2317支持雙向的電壓轉(zhuǎn)換，兩個方向均提供效率相同的處理能力：在降壓工作模式下K=1/4，額定輸出電流連續(xù)狀態(tài)下60A，瞬態(tài)達100A（最長2ms）；在升壓模式下K=4/1，額定輸出電流連續(xù)狀態(tài)下15A，瞬態(tài)達25A（最長2ms）。NBM2317還可輕松并聯(lián)，以獲得更高的功率級。
該總線轉(zhuǎn)化器采用23mm x 17mm x 7mm的表面貼裝封裝，外形緊湊，可實現(xiàn)高達4.5kW/in3的功率密度。同時，其所需的外部組件極少，也為整個電源系統(tǒng)的“瘦身”提供了便利。
NBM2317的其他優(yōu)勢特性還包括：開關(guān)頻率為1.7MHz，噪聲低，瞬態(tài)響應速度快，可雙向啟動和穩(wěn)態(tài)運行等，可以說是實現(xiàn)高效率、大密度、小型化12V / 48V總線橋接轉(zhuǎn)換的理想之選。
圖5：NBM2317典型降壓應用框圖
（圖源：Vicor）
圖6：NBM2317典型升壓應用框圖
（圖源：Vicor）
最后的話
對于更高性能、更豐富功能的追求，在推動電子系統(tǒng)中的PDN配電網(wǎng)絡向更高的電壓升級。在這個過程中，如何能夠提供一個兼顧大功率、高效率、小型化、低成本的解決方案，是很多電源工程師夢寐以求的目標。
將固定比率轉(zhuǎn)換器作為實現(xiàn)更高性能PDN的解決方案，可以在整體系統(tǒng)性能方面獲得顯著優(yōu)勢，并獲得更大的設計靈活性。作為固定比率轉(zhuǎn)換器中的優(yōu)秀“作品”，Vicor的非隔離總線轉(zhuǎn)換器NBM2317可以在傳統(tǒng)的12V和新一代48V電源系統(tǒng)之間實現(xiàn)雙向的橋接轉(zhuǎn)換，進而打造一個高功率密度，且極具成本優(yōu)勢的模塊化分布式供電架構(gòu)。
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