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为什麽电源设计转用 48V?
 

【作者: 陳曆忠】2018年02月05日 星期一

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因应多功能设计使用48V逐渐提升的需求、降低总体拥有成本 (TCO),以及满足各领域应用日益增加的电力需求。目前电源设计的应用会透过下列途径提高效能:


· 增强处理能力


· 提高通讯速率


· 延长运行时间


· 增添扩充设备


· 增大扭力


· 增大LED亮度


为了实现「更多功能」需要提供更多电源,而运用更多的电源一般会受到尺寸和/或重量限制约束。这就是为什麽越来越多产业从一般的12V配电转而采用更高电压的48V 配电的原因所在。


为什麽使用 48V?

系统内的 I2R 损耗可能会对系统效率不利,而且鉴於线缆、连接器和 /或 PCB 的限制,可能还会显着降低提供给负载的功率。


例如伺服器中的处理器功耗从不足100W增加到了200W、300W,乃至更高。如果不使用更高电压配电或更大铜箔面积来缓解,将这一增大的功率分配给多个伺服器、处理器,会产生更多的损耗。不只是伺服器,任何增大电源的设计的损耗都会随电流的平方而增大。


更高电压的配电可降低 I2R 损耗。例如48V 配电方案与12V 配电方案相比,能够将功耗大幅降低16倍。损耗降低如此之大,怎麽还会有人使用低压(比如 12V)配电 方案?


原因就在於如果将较高电压转换器与较低电压转换器对比,高压配电方案实际上会降低整体效率,提高成本并增大尺寸/重量。


但转换器的这些弊端基本已成历史。今日,工程师不仅可降低 I2R 损耗,而且还可利用能实现与较低电压转换器相似或更优异的效率、成本和尺寸/重量指标的较高电压转换器。


电话是始祖…


图1
图1

我们应该感谢现代电话和电话交换机的发展,它们是最早使用 48V 电压的应用。和预想的一样,通讯产业以48V为标准,如今仍然使用 48V 电压。


为什麽?它更高效,因为随距离变化而产生的损耗(以工作电压的百分比计)更低、标准线路要求更少、电池备援(也是因为负叁考电压为 48V)简单,而且该电压位准很安全。


何为新 48V?安全吗?


图2
图2

许多人把在通讯领域外使用 48V 看着「新 48V」,因为它以正极为叁考,无抗雷击或突波要求,而且一般限定在30V至60V的更小范围内。


与 12V 应用相比,低於 60V DC 限值的电压按照其处理要求,被视为安全超低电压 (SELV)。48V 配电方案可在不造成 SELV 问题的情况下,最大限度降低 I2R 损耗。


48V 目前主要用於哪些领域?

据报导,48V 目前广泛用於资料中心、汽车、LED 照明、工业设备,乃至电动工具等领域。一天中总会看到/使用几种48V应用;48V 就是新的12V。


资料中心大规模采用「新48V」

资料中心和超级电脑对电源的要求越来越大,而且效率是这些高效能运算中心的关键。随着对人工智慧关注的激增,运算解决方案要求处理器能跟上不断成长的功率需求。


然而,提供更高处理器的电源给使用传统12V供电并维持一定的效率带来了实际的挑战。因此,工程师转而采用48V配电,以实现更高位准的配电,克服这些挑战。


以Vicor的资料中心48V解决方案为例。Vicor的48V架构称为FPA(Factorized Power Architecture),由两个部分构成。前端为采用升降压拓扑结构的预稳压模块(PRM),提供稳定的Vf母线电压,输出电压会根据负载的变化快速回应。後端为采用专利正弦幅值变换器(Sine Amplitude Converter)的电压变压模块(VTM),将Vf母线电压转换到负载点电压,其工作特性为理想变压器,可以将能量存储在高压侧电容,从而极大?少负载点的大电容。VTM采用零电压、零电流的软开关科技,工作频率高达2MHz以上,具有高功率密度,Intel实验室的测试显示,其杂讯



图3 :  48V直接到CPU
图3 : 48V直接到CPU

比传统的12V VR低一个数量级,因此,可以放置在非常靠近CPU的地方,进一步?少电源输出端到CPU电源引脚间的功率损耗。


随着高性能计算,以及GPU等应用发展,未来的伺服器功耗将不断增加,越来越多的机柜内母线电压在往48V方向转变,特别是在HPC等高效能运算场合。目前国内伺服器厂商已经推出了关於48V直流输入的伺服器验证机。


Google 采用 48V

使用48V 的实例之一就是Google。Google工程师在2017应用电源电子大会(APEC2017)和2017开放式运算专案大会(OCP2017)上公开讨论了48V在其资料中心的优势和成本节省。


在宣布最新绿色500强时,另一个采用48V的实例是2017超级运算大会上的一大亮点。


绿能500强是对高效能电脑系统的排名。今年的绿能500强前五名中的四名均是日本公司PEZY设计的系统,该公司在其整个电脑系统中均使用48V配电。


商业 LED 面板亮度更高,成本更低

有没有想过时代广场一夜的照明成本是多少?这些巨大户外LED萤幕的尺寸及电源需求近10年来一直呈现指数级成长。


LED面板效能不断提高,带来了更高的LED像素密度及亮度。设计这些全新面板的工程师正转而使用48V配电,以在提高效率的同时,缩减电线尺寸及重量。


除了提高效率,这些更大规模的设施还能从更轻的重量和轻松的安装中获益。今日,一个阵列的较小面板可组装在一起,形成亮度更高、更经久耐用的统一显示萤幕,其可降低运输与安装难度。


对於零售商店壁挂式显示萤幕和交通运输中心资讯显示萤幕使用的AC配电,48V配电也可提供成本更低、更加安全的替代方案。


电动工具急需更大的扭力


图4
图4

消费类及专业电池供电工具也遵循类似的趋势,转而使用更高的电压提供更大的功率。更大的功率可为工具实现更长的执行时间和更大的扭力。无线电动工具的电池发展过程是这样的:从大约9V 到大约12V,再到大约18V到大约20V,然後再到大约24V,到现在的48V和60V。


走进任何一家居家中心,都能找到各种60V电池的电动工具,有的来自DeWalt等知名企业,有的来自知名度较低的Greenworks等新兴企业。同样的,还会找到各种较轻的庭院电动工具,如Snapper的高效能 60V链锯和割草机。


带动汽车使用 48V


图5
图5

在现有内燃机车辆基础上适度增加一些组件,轻型混合动力车的燃油效率就能提高10% 以上。汽车工程师(例如 Delphi 的汽车工程师)正在轻型混合动力车中使用48V配电方案,以透过在「启停?工作中的「停止」阶段为辅件供电,减轻内燃机的负荷。最初的设计采用纯12V电池方案,但系统在停止阶段供电不足,无法全面运作车内的所有功能。48V 方案为目前最高效率的替代方案。


为机器人及工业设备供电


图6
图6

工业设备涵盖的产品众多,它们正在充分发挥48V的优势,其原因也是为了提高功率。


· Kiva Systems 是一种用於大型仓库的机器人执行系统,其正在使用48V配电为亚马逊仓库提供全方位的支援。


· Advantest使用 48V最大限度缩小其ATE产品的电线尺寸,以透过更细的电线提高更大的功率。


· CAT提供48V仓库自动装卸车。48V应用的其它实例,还有程式控制、制造设备和 工厂自动化设备。


48V就是新12V

如果需要更大功率,请考虑48V配电。工程师发现只采用12V配电增加功率导致的损耗正约束着他们的系统。与12V系统相比,今日的增强型48V转换器/稳压器可实现高效率、低成本和小尺寸/轻量化优势。


许多电源设计正在采用可直接从 48V 转换为负载电压,无需先稳压至12V 的单个稳压器替换多个中间级稳压器,进而从中获得更多的优势。


48V DC/DC过去几年得到了长足发展,现已有多家元件供应商提供48V解决方案。Vicor的48V DC/DC稳压器和隔离式转换器透过其几项专有设计技术刷新了效率、密度和成本效能,这些技术包括:


· 零电压切换等高效率开关拓扑结构


· 可实现SM-Chip封装等高密度电源封装的3D封装技术


此外,正在设计48V系统的工程师还可藉助 Vicor 的线上选择/设计工具,缩短设计阶段,并确保解决方案的效益。(本文作者陈历忠为Vicor China市场拓展经理)


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