48 V技術(shù)的魅力：系統(tǒng)級應用中的重要性、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)有基礎設施兼容，因此在各種應用中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。以前，配電系統(tǒng)嚴重依賴標準12 V或24 V電平。然而，現(xiàn)代設備和電子產(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)中心匯集了超級計算機等高算力設備，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，還能為設計提供更靈活的選擇。以下是一些主要優(yōu)勢：
? I2R損耗更低
o 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，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
o 與較低電壓系統(tǒng)相比，48 V電源電壓支持使用更小的導線和元件來傳輸同一功率。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。
? 增強電壓調(diào)節(jié)能力
o 根據(jù)定義，電壓電平越高，電壓調(diào)節(jié)能力越強，這對于波動敏感型應用非常關(guān)鍵。為了保持可靠運行，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。
? 設計靈活性
o 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(tǒng)。電機、傳感器和通信接口都可以在同一個系統(tǒng)中共存。
? 與可再生能源兼容
o 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

48 V電源電壓實施要點
實施過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(tǒng)級、工業(yè)和通信應用的角度來了解這些基礎知識。
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產(chǎn)生較大的熱量。散熱器、風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.輕度混合動力電動汽車中48 V與12 V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)的風險。48 V和12 V系統(tǒng)應用就使用了隔離柵來實現(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.開放計算項目Open Rack V3架構(gòu)4

在現(xiàn)代工業(yè)和通信應用中，互操作性至關(guān)重要。實施標準化的通信協(xié)議可確保在48V運行的子系統(tǒng)之間實現(xiàn)無縫的數(shù)據(jù)交換，從而提高整個系統(tǒng)的效率。開放計算項目（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、存儲和服務器提供了完整的架構(gòu)設計。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)實時監(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)實時調(diào)整，這些系統(tǒng)不僅可以預測故障，還能為預防性診斷鋪平道路，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。下文的一些實際例子將帶您理解其重要意義：
電信電源系統(tǒng)

圖5.電信——48 V配電系統(tǒng)5

電信網(wǎng)絡是現(xiàn)代社會的基石，而電信網(wǎng)絡的穩(wěn)定運行離不開持續(xù)可靠的電力供應。48 V架構(gòu)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(tǒng)的格局。參見圖5。這些系統(tǒng)負責提供全球通信，其電力基礎設施必須要能夠承受地區(qū)差異和停電意外。
然而，48 V架構(gòu)的真正優(yōu)勢在于可以克服地理限制。在偏遠的內(nèi)陸地區(qū)和受災地區(qū)，傳統(tǒng)電力基礎設施可能缺失或老化，但48 V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保持聯(lián)系，在緊急情況下保障關(guān)鍵通信，并通過超強連接能力促進農(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、傳送帶到機械臂等各種關(guān)鍵部件提供動力。該電壓電平是功率密度和控制的基礎，不僅能協(xié)調(diào)系統(tǒng)穩(wěn)定運行，還能減少能量損失，并進一步提高工業(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，對于有效彌補太陽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電源電壓與太陽能電池板產(chǎn)生的電壓范圍完全一致，有助于實現(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(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)濟的解決方案。
電動汽車

圖6.48 V輕度混合動力電動汽車6

48 V設計在電動汽車中的應用（如圖6所示）是一個戰(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、通風和空調(diào)）系統(tǒng)和先進多媒體設備。48 V架構(gòu)使得這種全面的電動汽車設計成為可能，不僅提升了能源經(jīng)濟性，而且通過優(yōu)化功率使用、資源管理和車內(nèi)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(tǒng)級應用帶來不少優(yōu)勢，但我們也必須正視這種系統(tǒng)可能存在的一些缺點。
需要考慮的缺點：
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(xiàn)有系統(tǒng)組件，進而某些組件可能需要更換或調(diào)整。然而，一個潛在問題是，能兼容指定額定電壓的組件不多。這可能導致采購價格上漲，系統(tǒng)順利整合的時間也可能延后。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。
設計復雜度
48 V電源電壓往往會導致在一個時期內(nèi)增加設計復雜度。實施階段通常需要謹慎處理復雜的設計問題，例如準確的電壓調(diào)節(jié)、完善的熱管理策略和穩(wěn)健的安全標準。復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)驗豐富、能力出眾的設計團隊，以便高效應對這些復雜的挑戰(zhàn)。
電壓相關(guān)風險更高
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施基本安全預防措施的情況下。電壓電平升高可能會提升觸電風險和其他危險，因此必須采取嚴格的安全預防措施。
轉(zhuǎn)換損耗增加
當需要轉(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備）供電時，額外的轉(zhuǎn)換步驟可能會導致提高系統(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電源電壓需要進行仔細評估。后續(xù)的調(diào)整工作可能會面臨一些障礙，使其既不切實際，又成本過高。改造現(xiàn)有基礎設施以順利支持48 V標準可能是一項復雜且耗時的任務，需要進行重大調(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。參見圖8。
電磁干擾(EMI)增加
電壓電平升高會增加電磁干擾(EMI)，進而還會導致嚴重問題。電磁干擾會讓精密組件和復雜通信網(wǎng)絡無法平穩(wěn)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(tǒng)持續(xù)可靠運行。
可擴展性挑戰(zhàn)
雖然48 V對于許多應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滿足特定需求。
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(diào)系統(tǒng)開發(fā)以及實施關(guān)鍵安全措施等的成本。這些初始費用可能會對整個項目預算產(chǎn)生顯著影響，具體影響取決于實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、功率密度更高和設計靈活性更大等優(yōu)勢然而，48 V應用的成功離不開高效的電源轉(zhuǎn)換、嚴格的熱管理、穩(wěn)健的安全預防措施、標準化的通信協(xié)議以及復雜的監(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8

此外，在系統(tǒng)級應用中，48 V電源電壓能帶來顯著優(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(quán)衡，充分認識到這種選擇可能帶來的潛在弊端。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(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，“實現(xiàn)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》，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》（電子設計），2019年4月。
4 Glenn Charest、Steve Mills和Loren Vorreiter，“Open Rack V3基本規(guī)范”，開放計算項目，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滿足燃料排放標準”，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)電源設計挑戰(zhàn)”，Panasonic Industry，2021年8月。
關(guān)于ADI
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導體公司，致力于在現(xiàn)實世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應對氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬物的可靠互聯(lián)。ADI公司2023財年收入超過120億美元，全球員工約2.6萬人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪問
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作者簡介
Christian Cruz是ADI菲律賓公司的應用開發(fā)工程師。他擁有菲律賓馬尼拉東方大學的電子工程學士學位。他在模擬和數(shù)字設計、固件設計和電力電子領(lǐng)域擁有超過12年的工程經(jīng)驗，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，目前負責支持基于云的計算和系統(tǒng)通信應用的電源管理需求。