【導讀】將電能由電源傳輸到分布在電子係統中的各個負載，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、彙流排、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係統升級，一直是近年來電源工程師們努力的方向。

為什麼要提升配電網絡的電壓
？這個原因很容易理解：係統負載功率增加後
，根據功率公式P=I*V，電(dian)壓(ya)不(bu)變(bian)而(er)想(xiang)要(yao)承(cheng)載(zai)更(geng)大(da)的(de)功(gong)率(lv)
，就(jiu)需(xu)要(yao)增(zeng)加(jia)電(dian)流(liu)。而(er)電(dian)流(liu)的(de)增(zeng)加(jia)一(yi)方(fang)麵(mian)會(hui)使(shi)電(dian)能(neng)傳(chuan)輸(shu)過(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)功(gong)率(lv)消(xiao)耗(hao)加(jia)大(da)，另(ling)一(yi)方(fang)麵(mian)也(ye)需(xu)要(yao)使(shi)用(yong)更(geng)大(da)尺(chi)寸(cun)的(de)組(zu)件(jian)（如電纜、連接器
、PCB板），這就會給係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，優化整個係統的功耗、體積和成本。

48V配電係統的應用

新能源汽車（包括混合動力和純電動汽車）
，應該是對48V配電係統最為期待的一個行業。傳統的汽車是基於12V係統為車載電器供電，而隨著汽車上電子設備的增加，這個低電壓係統越發顯得捉襟見肘
，特別是在增加了電動啟停功能之後
，12V係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配電係統這匹“小馬”確實很難再拉動新能源汽車這輛“大車”了。這時，48V配電係統也就成了一個重要的技術轉變。

另一個對48V配(pei)電(dian)係(xi)統(tong)寄(ji)予(yu)厚(hou)望(wang)的(de)領(ling)域(yu)是(shi)數(shu)據(ju)中(zhong)心(xin)。在(zai)智(zhi)能(neng)社(she)會(hui)中(zhong)，數(shu)據(ju)中(zhong)心(xin)集(ji)中(zhong)了(le)越(yue)來(lai)越(yue)多(duo)的(de)計(ji)算(suan)資(zi)源(yuan)，承(cheng)載(zai)著(zhe)越(yue)來(lai)越(yue)重(zhong)的(de)計(ji)算(suan)任(ren)務(wu)
，特(te)別(bie)是(shi)機(ji)器(qi)學(xue)習(xi)等(deng)人(ren)工(gong)智(zhi)能(neng)（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、ASICdenggaoxingnengchulidanyuanchengweishujuzhongxindegangxu。zheyiweizhebulunshidankechuliqi，haishizhengtijisuanchulixitongdegonghaodouhuibuduanpansheng。jiangfuwuqidepeidianxitongcong12V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發布了基於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——這兩個標誌性的事件算是吹響了高端服務器應用轉向48V係統的號角。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係統的集成

不過
，48V配電係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係統和設備，在向48V邁進的過程中
，如何在12V和48V係統之間做高效而可靠的橋接，將12V和48V係統集成在一起，是一個必須認真考慮的課題。

比如在汽車領域
，雖然48V配電係統優勢明顯，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，其麵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係統中。當然，對於已經升級至48V係統的數據中心

，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
，輸入至輸出電壓範圍由器件的“匝數比（也稱為K因數）”來lai定ding義yi。這zhe種zhong架jia構gou決jue定ding了le固gu定ding比bi率lv轉zhuan換huan器qi有you一yi個ge特te點dian
，就jiu是shi能neng夠gou進jin行xing雙shuang向xiang功gong率lv及ji電dian壓ya轉zhuan換huan。如ru下xia圖tu所suo示shi，這zhe個ge固gu定ding比bi率lv轉zhuan換huan器qi既ji可ke以yi作zuo為weiK=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ling一yi方fang麵mian，固gu定ding比bi率lv轉zhuan換huan器qi是shi不bu帶dai穩wen壓ya器qi的de，因yin此ci其qi可ke以yi實shi現xian很hen高gao的de效xiao率lv，由you此ci帶dai來lai的de更geng高gao的de功gong率lv密mi度du和he更geng低di的de功gong耗hao
，可ke為wei係xi統tong的de熱re管guan理li提ti供gong極ji大da的de便bian利li。而er負fu載zai點dian的de穩wen壓ya功gong能neng，則ze可ke以yi由you下xia遊you的deDC-DC穩壓器來完成，這樣的係統架構，有利於實現更優的性能及係統成本。

zaiyou，genjubutongdeshejiyaoqiu
，gudingbilvzhuanhuanqikeyikuozhanchubutongdechanpinzuhe。biruzaigaodianyapeidianxitongzhong，keyixuanzejuyougeligongnengdegudingbilvzhuanhuanqi
；而在48V這種適應SELV環境的安全低電壓係統中，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係統中高效實現12V與48V橋接的總線轉換器，可以提供800W的持續功率，並支持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還可輕鬆並聯
，以獲得更高的功率級。

該總線轉化器采用23mm x 17mm x 7mm的表麵貼裝封裝，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，也為整個電源係統的“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）

最後的話

對於更高性能、更豐富功能的追求，在推動電子係統中的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，可以在整體係統性能方麵獲得顯著優勢，並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電源係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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