【導(dǎo)讀】將電能由電源傳輸?shù)椒植荚陔娮酉到y(tǒng)中的各個(gè)負(fù)載，這個(gè)工作主要是由配電網(wǎng)絡(luò)（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(luò)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(fù)載點(diǎn)用電功率的提升，提高配電網(wǎng)絡(luò)電壓，成了一個(gè)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(luò)的電壓？這個(gè)原因很容易理解：系統(tǒng)負(fù)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(shí)有效減少電流，優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的功耗、體積和成本。
48V配電系統(tǒng)的應(yīng)用
新能源汽車（包括混合動力和純電動汽車），應(yīng)該是對48V配電系統(tǒng)最為期待的一個(gè)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(shè)備的增加，這個(gè)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(dá)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(dá)、激光雷達(dá)等更豐富的傳感器，以及更高性能的計(jì)算處理單元——預(yù)計(jì)未來的車載計(jì)算機(jī)會消耗上千瓦電力——12V配電系統(tǒng)這匹“小馬”確實(shí)很難再拉動新能源汽車這輛“大車”了。這時(shí)，48V配電系統(tǒng)也就成了一個(gè)重要的技術(shù)轉(zhuǎn)變。
另一個(gè)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(jì)算資源，承載著越來越重的計(jì)算任務(wù)，特別是機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能（AI）技術(shù)的應(yīng)用，更使得計(jì)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(jì)算處理系統(tǒng)的功耗都會不斷攀升。將服務(wù)器的配電系統(tǒng)從12V升級到48V，無疑是應(yīng)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(wù)器；2018年3月，Nvidia也發(fā)布了其48V的GPU服務(wù)器和板卡——這兩個(gè)標(biāo)志性的事件算是吹響了高端服務(wù)器應(yīng)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(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)也不是一蹴而就的。考慮到生態(tài)完善、存量巨大的12V系統(tǒng)和設(shè)備，在向48V邁進(jìn)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(gè)必須認(rèn)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(fù)載端12V的車載設(shè)備仍是主流，這就需要在48V配電總線和12V的負(fù)載點(diǎn)之間進(jìn)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(yīng)用
（圖源：Vicor）
再來看數(shù)據(jù)中心，其面臨的一個(gè)主要的應(yīng)用場景就是，如何讓12V的傳統(tǒng)機(jī)架能夠使用48V的高性能（也是高功率）AI加速板卡。這時(shí)就需要在兩者之間來一次12V至48V的橋接，以便將先進(jìn)AI功能添加到老式機(jī)架系統(tǒng)中。當(dāng)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(fù)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(wù)器中的12V/48V橋接應(yīng)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(gè)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?jǐn)?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(gè)特點(diǎn)，就是能夠進(jìn)行雙向功率及電壓轉(zhuǎn)換。如下圖所示，這個(gè)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(diǎn)，給設(shè)計(jì)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(shí)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(fù)載點(diǎn)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(shí)現(xiàn)更優(yōu)的性能及系統(tǒng)成本。
再有，根據(jù)不同的設(shè)計(jì)要求，固定比率轉(zhuǎn)換器可以擴(kuò)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(yīng)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(shí)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(dá)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(gè)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(dá)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(dá)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(shí)現(xiàn)高達(dá)4.5kW/in3的功率密度。同時(shí)，其所需的外部組件極少，也為整個(gè)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(yīng)速度快，可雙向啟動和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行等，可以說是實(shí)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(yīng)用框圖
（圖源：Vicor）
圖6：NBM2317典型升壓應(yīng)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(luò)向更高的電壓升級。在這個(gè)過程中，如何能夠提供一個(gè)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(biāo)。
將固定比率轉(zhuǎn)換器作為實(shí)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(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)雙向的橋接轉(zhuǎn)換，進(jìn)而打造一個(gè)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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