【導讀】將電能由電源傳輸到分布在電子系統中的各個負載，這個工作主要是由配電網絡（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、電源轉換器和穩壓器組成，根據配電網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，提高配電網絡電壓，成了一個大趨勢——以低電壓PDN為例，從傳統的12V向48V系統升級，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絡的電壓？這個原因很容易理解：系統負載功率增加后，根據功率公式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），這就會給系統整體性能帶來很大的挑戰。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，優化整個系統的功耗、體積和成本。
48V配電系統的應用
新能源汽車（包括混合動力和純電動汽車），應該是對48V配電系統最為期待的一個行業。傳統的汽車是基于12V系統為車載電器供電，而隨著汽車上電子設備的增加，這個低電壓系統越發顯得捉襟見肘，特別是在增加了電動啟停功能之后，12V系統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配電系統也就成了一個重要的技術轉變。
另一個對48V配電系統寄予厚望的領域是數據中心。在智能社會中，數據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據中心的剛需。這意味著不論是單顆處理器，還是整體計算處理系統的功耗都會不斷攀升。將服務器的配電系統從12V升級到48V，無疑是應對這一挑戰最有效的方法之一。
2016年3月，Google發布了基于48V架構的CPU服務器；2018年3月，Nvidia也發布了其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向48V系統的號角。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系統的集成
不過，48V配電系統的前景雖然一片大好，但是實現這個目標也不是一蹴而就的。考慮到生態完善、存量巨大的12V系統和設備，在向48V邁進的過程中，如何在12V和48V系統之間做高效而可靠的橋接，將12V和48V系統集成在一起，是一個必須認真考慮的課題。
比如在汽車領域，雖然48V配電系統優勢明顯，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）
再來看數據中心，其面臨的一個主要的應用場景就是，如何讓12V的傳統機架能夠使用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中。當然，對于已經升級至48V系統的數據中心，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：在數據中心服務器中的12V/48V橋接應用
（圖源：Vicor）
12V / 48V橋接方案的選擇
在12V / 48V橋接技術方案的選擇上，固定比率轉換器是一個非常合適的架構。
固定比率轉換器是一種輸出電壓與輸入電壓比為固定分數的DC-DC轉換器，輸入至輸出電壓范圍由器件的“匝數比（也稱為K因數）”來定義。這種架構決定了固定比率轉換器有一個特點，就是能夠進行雙向功率及電壓轉換。如下圖所示，這個固定比率轉換器既可以作為K=1/12的降壓轉換器來使用，也可以支持K=12/1的升壓轉換操作。這種雙向橋接的特點，給設計帶來了很大的靈活性。
圖3：固定比率轉換器架構
（圖源：Vicor）
另一方面，固定比率轉換器是不帶穩壓器的，因此其可以實現很高的效率，由此帶來的更高的功率密度和更低的功耗，可為系統的熱管理提供極大的便利。而負載點的穩壓功能，則可以由下游的DC-DC穩壓器來完成，這樣的系統架構，有利于實現更優的性能及系統成本。
再有，根據不同的設計要求，固定比率轉換器可以擴展出不同的產品組合。比如在高電壓配電系統中，可以選擇具有隔離功能的固定比率轉換器；而在48V這種適應SELV環境的安全低電壓系統中，則可使用非隔離的器件。
總之，高密度、高效率和靈活的架構等優勢，使得固定比率轉換器成為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中高效實現12V與48V橋接的總線轉換器，可以提供800W的持續功率，并支持1kW的峰值功率，效率高達97.9%！
圖4：NBM2317總線轉換器
（圖源：Vicor）
NBM2317支持雙向的電壓轉換，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，額定輸出電流連續狀態下60A，瞬態達100A（最長2ms）；在升壓模式下K=4/1，額定輸出電流連續狀態下15A，瞬態達25A（最長2ms）。NBM2317還可輕松并聯，以獲得更高的功率級。
該總線轉化器采用23mm x 17mm x 7mm的表面貼裝封裝，外形緊湊，可實現高達4.5kW/in3的功率密度。同時，其所需的外部組件極少，也為整個電源系統的“瘦身”提供了便利。
NBM2317的其他優勢特性還包括：開關頻率為1.7MHz，噪聲低，瞬態響應速度快，可雙向啟動和穩態運行等，可以說是實現高效率、大密度、小型化12V / 48V總線橋接轉換的理想之選。
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，在推動電子系統中的PDN配電網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。
將固定比率轉換器作為實現更高性能PDN的解決方案，可以在整體系統性能方面獲得顯著優勢，并獲得更大的設計靈活性。作為固定比率轉換器中的優秀“作品”，Vicor的非隔離總線轉換器NBM2317可以在傳統的12V和新一代48V電源系統之間實現雙向的橋接轉換，進而打造一個高功率密度，且極具成本優勢的模塊化分布式供電架構。
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