新兴的48V生态系统

由于其特性，48V一直被认为是最高的“安全电压”。根据 UL 或 IAC 等标准和认证机构，60V 是开始需要对电缆进行额外保护(例如电流隔离或额外强度绝缘)的电压级别。为降低成本和保护等级，应选择60V以下的电压。这就是选择 48V 电压电平的原因：它代表了在最小化功率损耗的需要与提供适当保护和绝缘的责任之间的良好折衷。

48V的未来

48V 电源架构可在多种应用中提供有价值且高效的解决方案。我们可以确定三个主要的兴趣领域：汽车、云和机器人。在接下来的段落中，我们将研究是什么推动了每个领域中的 48V 电源，以及如何利用从一个领域到另一个领域的一些改进来创建解决问题的创新解决方案。

汽车

图 1 中概述的汽车电气化趋势表明，由于 12V 启动/停止功能的广泛应用，如今电动汽车已经占据市场主导地位。随着我们的前进，这种趋势将在未来几年继续发展，包括轻度混合动力、全混合动力和电动汽车。所有电动汽车都可以成功采用 48V 总线，并且将通过自动驾驶和信息娱乐解决方案增加更多功能。

图1：汽车电气化

关于图 2 所示的汽车电源网络，它们目前基于传统的 12V 总线，该总线仍将存在一段时间。例如，图 2 概述了 12V 电池和皮带启动发电机，它们将启动电机并可能在制动期间再生一些电力。有趣的是，所有这些设计仍然可以在 48V 总线上正常工作。随着时间的推移，所有汽车负载都将从 12V 总线迁移到 48V 总线，并且 DC/DC 转换器将成为双向的，能够实现来回共享电源。随着汽车完全电气化，12V 系统将被淘汰。

图 2：48V 汽车应用

通过采用汽车 48V 总线，我们可以获得更高的功率密度，从而获得更小的电机。除了动力传动系统(需要更高的电压)，48V 总线可以支持多种汽车应用：启动发电机、电池管理系统、辅助电机、DC/DC 转换器和电子保险丝。

云

云依赖于强大而高效的服务器，这些服务器负责所有相关的计算和网络活动。图 3 显示了典型服务器刀片的框图，其中包括 12V 电源总线、一些保护设备、多相控制器、外围设备、负载点 (POL) 和提供清洁电源的低压差稳压器 (LDO)。

图 3：服务器刀片框图

如今，此类系统的峰值功率约为 400W，但几年后，它将达到并超过 1 kW。由于机架功率密度如此之高，48V 总线证明是比 12V 更好的解决方案，因为它涉及更低的传输损耗并有助于减小导体尺寸。可以选择渐进的方法在云应用中引入 48V 总线。图 4 的上侧显示了一个传统的电源架构，前端有一个 UPS、一个围绕机架的交流总线和一系列电压转换器(交流到 48V、48V 到 12V 和 12V 到负载点)。这确实是一个很好的解决方案，因为许多基础设施已经部署在 12V 左右。图 7 的下侧显示了另一种解决方案，它依赖于在设施前端执行 AC/DC 转换的假设。400V DC总线为机架供电，现在只进行DC/DC转换，UPS可以直接连接到机架上。这种解决方案的缺点是直流高压(400V 总线)比交流高压更难保护。

Figure 4: cloud power architectures

图 4 描绘了一种更具创新性的架构，其中 48V 总线直接连接到负载点。由于核心处理器的要求，这种解决方案是一个非常具有挑战性的解决方案。事实上，核心处理器需要大约 1V 的电压，但对该值的容差非常小。我们必须将标称的 48V 转换为 1V，这意味着占空比仅为 2%。此外，高动态要求对负载施加了高效率。图 5 显示了由 Google 设计并免费提供的高效率和高密度开关槽式转换器，显示了对实现 48V 周围生态系统的极大兴趣。主要想法是使用输入电压为 48V、输出电压为 12V/6V 或更低电压的 DC/DC 转换器。还应考虑其他方面，例如：

加速卡：如果插在服务器主板上，优先考虑空间占用，这可能需要不同的解决方案

GaN 组件：由于其高开关频率和效率，它可以代表另一种解决方案。

图 5：为 POL 提供 48V

今天，市场上已经有预建的电源模块，例如能够将 48V 转换为 1V 的 Flex 隔离式直流总线转换器。其他解决方案已经计划在未来几年内实施。

机器人

另一个可以应用 48V 电源的领域是工业自动化：我们指的是协作机器人、送货无人机和类似电池供电的设备。例如，协作机器人可以轻松地由 48V 电池供电，这是一种既安全又高效的解决方案。我们知道，机器人涉及12V和24V的电机解决方案很多。为简单起见，请考虑机器人手臂的大小。关节的大小将由其内部的电机决定。为了尽量减少空间占用，应增加功率密度。再次证明，48V 是正确的电源解决方案，完全在安全电压范围内。

应用和解决方案

我们可以在一个图表中总结上面提到的注意事项，该图表显示了电源解决方案如何跨应用程序工作(图 6)。第一列涉及 AC/DC 转换：在汽车中不需要该解决方案，因为在电动汽车中我们已经拥有 400V 或 800V 直流电池。正如我们之前所见，在服务器和工业自动化应用中，我们需要它。下一列与高压 DC/DC 相关。在云系统中，可能会使用或不使用高直流配电;然而，在汽车中，需要将 EV 电池电压转换为 48V。

然后我们有中压 DC/DC 扩展到所有应用。汽车将需要多相降压转换器来满足对更多处理能力的自主性和信息娱乐需求。在云系统中，它们可用于将 48V 总线转换为核心电压。在工业自动化中，它们可能用于为机器人中涉及的所有传感器和处理单元供电。转到负载点，我们遇到了类似的情况：我们在汽车、云服务器和工业应用中拥有传感器、外围设备和计算设备。另一个重要的电源解决方案是电机驱动。我们知道汽车内部有多种电机：风扇、泵、涡轮增压器、压缩机等等。在云系统中，冷却系统通常需要服务器电机驱动器。

在工业自动化中，电机显然用于提供运动并支持其他机器人功能，例如抓取、提升、牵引、驱动等。下一列与 eFuse 相关：在云服务器中，该解决方案允许热插拔设备以在总线上提供保护。在工业自动化中，我们可以考虑一个有模块化机器人的场景，我们可以在系统上线时插入新模块。我们将在下一段中看到 eFuse 的更多汽车应用。最后一栏很简单：只要有电池，我们就需要电池管理解决方案。

图 6：48V 应用和解决方案

eFuse：特性和功能

热插拔控制器基于电子保险丝，这是一种集成保护设备，用于在操作期间将电流和电压限制在安全水平。因此，eFuse 是一种保护设备，允许在总线带电时插入或取出某些东西，从而保护总线和热插拔设备。典型的 eFuse 具有多种保护功能，例如过电流、过电压和反向电流，具有诊断功能并且可以自动或通过控制器远程复位。

图 7：eFuse 概览

图 7 概述了没有 eFuse 的典型情况，其中插入设备时会产生浪涌电流和高压尖峰。图 8 显示了如何使用 eFuse 实现负载电流和负载电压的逐渐上升。

图 8：使用 eFuse 时的负载电流和电压

汽车应用也可以从 eFuse 技术中受益。如果我们看一下传统的汽车接线图(图 9)，我们会看到一个接线盒，所有东西都需要穿过它，还有一些很长的重型电缆，为负载带来直流电压。接线盒包含保险丝，每次其中一个烧毁时，我们需要打开接线盒并更换一个新的。

图9：汽车传统接线图

使用 eFuse 可以改善这种情况，如图 10 所示。这里我们有一个 48V 威廉希尔官方网站 ，它连接到汽车的各个角落，在每个角落，我们都有一个保护电缆的 eFuse 和一个保护负载的 eFuse。可以减少继电器和开关的数量，并且电缆可以更短，因为它们更短。总布线重量和成本也可以减少。也许在未来，可以直接从智能手机重置 eFuse。基于 eFuse 的解决方案确实是一项重大改进，使汽车更像是电子设备，而不是大型机械设备。

图 10：基于 eFuse 的接线图

安森美半导体 48V 解决方案

安森美半导体提供范围广泛的 48V Mosfet 解决方案，具有适用于高频开关或电机驱动应用的各种击穿电压、技术和封装。安森美半导体还以其业界领先的 FET 而闻名，例如 FDMF8811 100V 功率级中使用的那些(图 11)，采用紧凑的 PQFN 封装。

图 11：基于 FET 的 100V 功率级

安森美半导体拥有进一步集成的器件，例如图 12 中所示的降压转换器。它的输入电压高达 65V，具有多种输出电流和电压。它可以提供 48V 或低至 4.5V 的任何其他值的输出电压。

图 12：FAN65xxx 降压转换器

结论

许多市场的需求正在共同开发 48V 生态系统，并且在许多应用中都有很多机会部署能够解决现有问题的创新解决方案。

审核编辑：汤梓红