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48V技術(shù)的魅力:系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用中的重要性、優(yōu)勢(shì)與關(guān)鍵要素

11/11 08:45
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作者:Christian Cruz,應(yīng)用開發(fā)工程師

摘要

技術(shù)世界千變?nèi)f化,人們對(duì)高效可靠電源解決方案的需求持續(xù)上升。近年來(lái),48 V電源電壓備受關(guān)注。乍看之下,48 V可能并不新穎,但它具有眾多優(yōu)勢(shì),非常實(shí)用,并且已成為各種系統(tǒng)級(jí)、工業(yè)、汽車和通信應(yīng)用中的重要組成部分。本文將通過(guò)實(shí)際例子和演示探討48 V電源電壓的優(yōu)勢(shì)。

簡(jiǎn)介

48 V電源電壓用途廣泛且與現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施兼容,因此在各種應(yīng)用中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。以前,配電系統(tǒng)嚴(yán)重依賴標(biāo)準(zhǔn)12 V或24 V電平。然而,現(xiàn)代設(shè)備和電子產(chǎn)品的功率需求不斷增加,對(duì)系統(tǒng)效率和能源經(jīng)濟(jì)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(jí)計(jì)算機(jī)等高算力設(shè)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(dòng)汽車(EV)。電動(dòng)汽車的先進(jìn)功能和電驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)日漸增加,人們也越來(lái)越需要更節(jié)能的解決方案。48 V架構(gòu)改善了再生制動(dòng)期間的能量回收,并更易于集成電子轉(zhuǎn)向助力和高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)等大功率組件。

48 V電源電壓的優(yōu)勢(shì)

采用48 V電源電壓,不僅能提升系統(tǒng)效率,還能為設(shè)計(jì)提供更靈活的選擇。以下是一些主要優(yōu)勢(shì):

  • I2R損耗更低

配電系統(tǒng)中的電阻損耗(I2R損耗)會(huì)對(duì)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(shí),48 V電源電壓系統(tǒng)的電流更低。因此,傳輸過(guò)程中的I2R損耗更低,整體系統(tǒng)效率更高。

  • 功率密度更高

與較低電壓系統(tǒng)相比,48 V電源電壓支持使用更小的導(dǎo)線和元件來(lái)傳輸同一功率。這相當(dāng)于提高了功率密度,因此可以讓設(shè)計(jì)更加緊湊,特別適合空間有限的應(yīng)用。

  • 增強(qiáng)電壓調(diào)節(jié)能力

根據(jù)定義,電壓電平越高,電壓調(diào)節(jié)能力越強(qiáng),這對(duì)于波動(dòng)敏感型應(yīng)用非常關(guān)鍵。為了保持可靠運(yùn)行,工業(yè)自動(dòng)化通信系統(tǒng)通常需要穩(wěn)定且經(jīng)過(guò)良好調(diào)節(jié)的電壓電平。

  • 設(shè)計(jì)靈活性

48 V電源電壓支持更多設(shè)計(jì)選擇。支持集成電壓需求各不相同的眾多子系統(tǒng)。電機(jī)、傳感器通信接口都可以在同一個(gè)系統(tǒng)中共存。

48 V電源電壓與可再生能源系統(tǒng)(如太陽(yáng)能裝置)中太陽(yáng)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(shí)施要點(diǎn)

實(shí)施過(guò)程中必須充分考量注意事項(xiàng),才能充分利用48 V電源電壓的優(yōu)勢(shì)。讓我們從系統(tǒng)級(jí)、工業(yè)和通信應(yīng)用的角度來(lái)了解這些基礎(chǔ)知識(shí)。

高效電壓轉(zhuǎn)換

雖然48 V越來(lái)越受歡迎,但并非所有設(shè)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(lái)降低電壓,以滿足子系統(tǒng)對(duì)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(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)方法可能會(huì)產(chǎn)生較大的熱量。散熱器、風(fēng)扇和熱設(shè)計(jì)考慮等熱管理方法對(duì)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(dòng)力電動(dòng)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(yù)防措施,例如電路保護(hù)、隔離柵和接地,以避免與電氣故障相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。48 V和12 V系統(tǒng)應(yīng)用就使用了隔離柵來(lái)實(shí)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(jì)算項(xiàng)目Open Rack V3架構(gòu)4

在現(xiàn)代工業(yè)和通信應(yīng)用中,互操作性至關(guān)重要。實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化的通信協(xié)議可確保在48V運(yùn)行的子系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)無(wú)縫的數(shù)據(jù)交換,從而提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。開放計(jì)算項(xiàng)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(luò)、存儲(chǔ)和服務(wù)器提供了完整的架構(gòu)設(shè)計(jì)。請(qǐng)參見圖4。

監(jiān)測(cè)與控制

為使系統(tǒng)始終保持出色性能,需要持續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電壓電平、電流和溫度??梢圆捎弥悄?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E6%8E%A7%E5%88%B6%E7%B3%BB%E7%BB%9F/">控制系統(tǒng)來(lái)主動(dòng)管理這些要素。通過(guò)無(wú)縫協(xié)調(diào)實(shí)時(shí)調(diào)整,這些系統(tǒng)不僅可以預(yù)測(cè)故障,還能為預(yù)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(shí)際應(yīng)用

48 V電源電壓已應(yīng)用到眾多領(lǐng)域和技術(shù)中。下文的一些實(shí)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(luò)是現(xiàn)代社會(huì)的基石,而電信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行離不開持續(xù)可靠的電力供應(yīng)。48 V架構(gòu)作為可靠性和效率的基礎(chǔ),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(fù)責(zé)提供全球通信,其電力基礎(chǔ)設(shè)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(shì)在于可以克服地理限制。在偏遠(yuǎn)的內(nèi)陸地區(qū)和受災(zāi)地區(qū),傳統(tǒng)電力基礎(chǔ)設(shè)施可能缺失或老化,但48 V架構(gòu)不會(huì)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(wù)的有力保障。該架構(gòu)固有的耐久性確保孤立無(wú)援的群眾能在需要幫助時(shí)保持聯(lián)系,在緊急情況下保障關(guān)鍵通信,并通過(guò)超強(qiáng)連接能力促進(jìn)農(nóng)村發(fā)展。

工業(yè)自動(dòng)化中的電力驅(qū)動(dòng)

在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域,精度和效率至關(guān)重要。48 V電源電壓在這種動(dòng)態(tài)環(huán)境中大放異彩,可以為電動(dòng)機(jī)、傳送帶到機(jī)械臂等各種關(guān)鍵部件提供動(dòng)力。該電壓電平是功率密度和控制的基礎(chǔ),不僅能協(xié)調(diào)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行,還能減少能量損失,并進(jìn)一步提高工業(yè)自動(dòng)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(wú)電網(wǎng)地區(qū)帶來(lái)了新的能源使用方式。這些先進(jìn)系統(tǒng)將可再生能源(主要是太陽(yáng)能電池板)與現(xiàn)代儲(chǔ)能設(shè)施無(wú)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(yáng)能輸出的兼容性,對(duì)于有效彌補(bǔ)太陽(yáng)能電池板能量與各種應(yīng)用需求之間的差距具有重要影響。

48 V電源電壓與太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的電壓范圍完全一致,有助于實(shí)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(guò)與太陽(yáng)能輸出準(zhǔn)確匹配來(lái)盡可能提高能量收集效率,太陽(yáng)能產(chǎn)生的電力可以直接進(jìn)入系統(tǒng),損失很小。

此外,48 V電源電壓和太陽(yáng)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(jiǎn)化的電壓轉(zhuǎn)換過(guò)程無(wú)需復(fù)雜且昂貴的器件,安裝和維護(hù)成本更低。這種可以降低成本的做法,對(duì)于那些遠(yuǎn)離電網(wǎng)的社區(qū)和企業(yè)來(lái)說(shuō)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(lái)了更加經(jīng)濟(jì)的解決方案。

電動(dòng)汽車


圖6.48 V輕度混合動(dòng)力電動(dòng)汽車6

48 V設(shè)計(jì)在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用(如圖6所示)是一個(gè)戰(zhàn)略性步驟,帶來(lái)了諸多益處。這種電壓范式對(duì)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(dòng),即在制動(dòng)過(guò)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(jí)HVAC(供暖、通風(fēng)和空調(diào))系統(tǒng)和先進(jìn)多媒體設(shè)備。48 V架構(gòu)使得這種全面的電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)成為可能,不僅提升了能源經(jīng)濟(jì)性,而且通過(guò)優(yōu)化功率使用、資源管理和車內(nèi)便利設(shè)施,改善了整體駕駛體驗(yàn)。

雖然48 V電源電壓可以為系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用帶來(lái)不少優(yōu)勢(shì),但我們也必須正視這種系統(tǒng)可能存在的一些缺點(diǎn)。

需要考慮的缺點(diǎn):

組件兼容性和可用性

切換到48 V電源電壓需要仔細(xì)評(píng)估現(xiàn)有系統(tǒng)組件,進(jìn)而某些組件可能需要更換或調(diào)整。然而,一個(gè)潛在問(wèn)題是,能兼容指定額定電壓的組件不多。這可能導(dǎo)致采購(gòu)價(jià)格上漲,系統(tǒng)順利整合的時(shí)間也可能延后。因此,制定正確的戰(zhàn)略規(guī)劃和采購(gòu)方案很重要。參見圖7。

設(shè)計(jì)復(fù)雜度

48 V電源電壓往往會(huì)導(dǎo)致在一個(gè)時(shí)期內(nèi)增加設(shè)計(jì)復(fù)雜度。實(shí)施階段通常需要謹(jǐn)慎處理復(fù)雜的設(shè)計(jì)問(wèn)題,例如準(zhǔn)確的電壓調(diào)節(jié)、完善的熱管理策略和穩(wěn)健的安全標(biāo)準(zhǔn)。復(fù)雜性提高可能會(huì)延長(zhǎng)開發(fā)周期,并增加對(duì)具體技術(shù)技能的需求。因此,企業(yè)需要組建一支經(jīng)驗(yàn)豐富、能力出眾的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì),以便高效應(yīng)對(duì)這些復(fù)雜的挑戰(zhàn)。

電壓相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)更高

雖然48 V并不是特別高,但也仍然可能帶來(lái)安全問(wèn)題,尤其是在沒有充分實(shí)施基本安全預(yù)防措施的情況下。電壓電平升高可能會(huì)提升觸電風(fēng)險(xiǎn)和其他危險(xiǎn),因此必須采取嚴(yán)格的安全預(yù)防措施。

轉(zhuǎn)換損耗增加

當(dāng)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(shè)備)供電時(shí),額外的轉(zhuǎn)換步驟可能會(huì)導(dǎo)致提高系統(tǒng)中的能量損失。這會(huì)抵消48 V電源電壓的一些能效提升優(yōu)勢(shì)。

傳統(tǒng)系統(tǒng)采用有限

對(duì)于針對(duì)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(jìn)行仔細(xì)評(píng)估。后續(xù)的調(diào)整工作可能會(huì)面臨一些障礙,使其既不切實(shí)際,又成本過(guò)高。改造現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施以順利支持48 V標(biāo)準(zhǔn)可能是一項(xiàng)復(fù)雜且耗時(shí)的任務(wù),需要進(jìn)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(shè)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(duì)尺寸和空間有嚴(yán)格要求的應(yīng)用。額外的

絕緣和安全預(yù)防措施要求可能導(dǎo)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(huì)增加電磁干擾(EMI),進(jìn)而還會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重問(wèn)題。電磁干擾會(huì)讓精密組件和復(fù)雜通信網(wǎng)絡(luò)無(wú)法平穩(wěn)運(yùn)行。因此,有必要額外采用屏蔽技術(shù)和高標(biāo)準(zhǔn)濾波技術(shù),以有效抵消和減輕EMI的負(fù)面影響,確保關(guān)鍵系統(tǒng)持續(xù)可靠運(yùn)行。

可擴(kuò)展性挑戰(zhàn)

雖然48 V對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)都是合理的選擇,但某些情況可能會(huì)有更優(yōu)選。某些應(yīng)用,特別是功率水平更高的應(yīng)用,可能需要使用其他電壓設(shè)計(jì)來(lái)滿足特定需求。

成本考慮

采用48 V電源電壓需要仔細(xì)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(shí)施關(guān)鍵安全措施等的成本。這些初始費(fèi)用可能會(huì)對(duì)整個(gè)項(xiàng)目預(yù)算產(chǎn)生顯著影響,具體影響取決于實(shí)際應(yīng)用和所處的行業(yè)。面對(duì)這些潛在的費(fèi)用,明智地分配資源對(duì)于能否順利整合和實(shí)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(jí)、工業(yè)和通信應(yīng)用的關(guān)鍵組成部分,可以滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)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(shè)計(jì)靈活性更大等優(yōu)勢(shì)然而,48 V應(yīng)用的成功離不開高效的電源轉(zhuǎn)換、嚴(yán)格的熱管理、穩(wěn)健的安全預(yù)防措施、標(biāo)準(zhǔn)化的通信協(xié)議以及復(fù)雜的監(jiān)測(cè)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(gè)領(lǐng)域的關(guān)鍵創(chuàng)新推動(dòng)因素,未來(lái)將繼續(xù)提供高效可靠的動(dòng)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(xiàng)8

此外,在系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用中,48 V電源電壓能帶來(lái)顯著優(yōu)勢(shì),值得設(shè)計(jì)人員或應(yīng)用工程師深入研究。然而,我們也必須全面權(quán)衡,充分認(rèn)識(shí)到這種選擇可能帶來(lái)的潛在弊端。針對(duì)特定應(yīng)用,為了明智地使用該電壓電平,應(yīng)綜合考慮組件兼容性、設(shè)計(jì)復(fù)雜度、安全預(yù)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(shí)現(xiàn)不間斷能源的智能備用電池第一部分:電氣和機(jī)械設(shè)計(jì)”,《模擬對(duì)話》,第57卷第4期,2023年12月。

3 Anant Kamath,“簡(jiǎn)化HEV 48 V系統(tǒng)的隔離CAN電源接口”,《Electronic Design》(電子設(shè)計(jì)),2019年4月。

4 Glenn Charest、Steve Mills和Loren Vorreiter,“Open Rack V3基本規(guī)范”,開放計(jì)算項(xiàng)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(biāo)準(zhǔn)”,ADI公司,2020年3月。

7 “它對(duì)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(shè)計(jì)挑戰(zhàn)”,Panasonic Industry,2021年8月。

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