數(shù)十年來，12VDC母線一直是工程師們的可靠選擇，已成為電池供電與 AC 線路供電設(shè)計的實際標(biāo)準(zhǔn)。這種廣泛應(yīng)用在很大程度上歸功于 20 世紀(jì) 50 年代汽車行業(yè)采用的六芯 12.6V 鉛酸電池，這推動了高量產(chǎn)、低成本和廣泛的可用性。

然而，進(jìn)入 21 世紀(jì)后，由于系統(tǒng)目標(biāo)日益宏大，電力需求呈現(xiàn)爆發(fā)式增長。工業(yè)設(shè)施、機器人、輕型電動汽車、無人駕駛車、太陽能系統(tǒng)以及自動測試設(shè)備等各種應(yīng)用都需要更多電力。

因此，12V 電源能夠向負(fù)載高效輸送的電量已達(dá)到實際極限，難以滿足現(xiàn)需求。由于電流增大，布線中的電阻（IR）損耗導(dǎo)致電源與負(fù)載之間產(chǎn)生過大壓降，而 I2R 功率耗散不僅浪費電量，更會加劇散熱挑戰(zhàn)。這些壓降和功率耗散是由物理定律制約的現(xiàn)象，無法避免。

迄今為止，解決這一困境的方案一直都是采用更粗的線纜和連接器。然而，這種方法會帶來線纜重量增加、布線方案受限以及連接器成本上升等問題。因此，對多數(shù)應(yīng)用場景而言，這種方案已不再適用。

本文闡述了相較于重新設(shè)計傳統(tǒng)的 12V 系統(tǒng)，過渡到 48V 配電系統(tǒng)更能滿足當(dāng)今電子設(shè)備日益增長的電力需求。此外，我們還詳細(xì)解析了雙向橋接轉(zhuǎn)換器解決方案如何助力設(shè)計人員實現(xiàn) 12V 轉(zhuǎn) 48VDC電源的平穩(wěn)過渡。

高壓解決方案

考慮到升級甚至重新設(shè)計 12V 系統(tǒng)的局限性，提升母線電壓才是更優(yōu)解，而 48V 系統(tǒng)是理想的選擇，原因如下：

48V 是 12V 系統(tǒng)的整四倍，非 AC 供電應(yīng)用（甚至是 AC/電池雙供電應(yīng)用），可采用四節(jié)電池串聯(lián)實現(xiàn)；

48V 架構(gòu)最大限度地提高了電網(wǎng)效率，同時遠(yuǎn)低于安全極限閾值（大多數(shù)法規(guī)通常要求為 60V），因此無需采取特殊預(yù)防措施；

在這一相對適中的更高電壓下，不會引發(fā)絕緣擊穿或閃絡(luò)問題；

雖然電壓超過 12V，但許多半導(dǎo)體工藝都能輕松處理這一電壓值。

電氣優(yōu)勢顯而易見。在相同功率水平和現(xiàn)有電纜條件下，48V 系統(tǒng)的電流僅為 12V 系統(tǒng)的四分之一，因此電阻損耗降低了 75%。此外，還可以使用更細(xì)的線纜，同時將損耗控制在可接受的范圍內(nèi)。從功率角度看，如果使用原有線纜，線纜損耗可降至原先的十六分之一；而采用更細(xì)的線纜也能將功耗和自發(fā)熱控制在更低水平。

然而，設(shè)計系統(tǒng)時強制完全切換到 48V 并不現(xiàn)實?，F(xiàn)有的傳統(tǒng) 12V DC 電源、負(fù)載及組件數(shù)量龐大，無法放棄，也不應(yīng)該輕易放棄。真正的挑戰(zhàn)在于如何實現(xiàn)平滑過渡——既能利用傳統(tǒng) 12V 母線創(chuàng)建新型 48V 母線，也能讓新型 48V 電子設(shè)備為傳統(tǒng) 12V 系統(tǒng)供電。

在許多設(shè)計方案中，既有傳統(tǒng) 12V 系統(tǒng)，也有新型 48V 系統(tǒng)，這就需要在兩種電壓之間實現(xiàn)高效率、高密度的轉(zhuǎn)換。值得慶幸的是，Vicor 推出的電源模塊可完美橋接 48V 與 12V 電源母線。

從降壓開始

越來越多的應(yīng)用采用 48V 母線架構(gòu)，Vicor 48V 轉(zhuǎn) 12V DC-DC 轉(zhuǎn)換器為傳統(tǒng) 12V 系統(tǒng)的兼容與協(xié)同運行提供了簡便的解決方案。例如，連續(xù)功率為 1000W 的 DCM3717 及相似的連續(xù)功率為 2000W 的 DCM3735 采用的工作輸入電壓為 40VDC至 60VDC，可生成 12V 穩(wěn)壓輸出電壓，而電壓調(diào)節(jié)范圍為 10V 至 12.5V（如圖 1 所示）。這些模塊最多可并聯(lián)四個，以支持更高的功率水平。這些非隔離模塊還集成了 PMBus 接口，用于控制與遙測。

圖 1：1000W 的 DCM3717 (右)與 2000W 的 DCM3735 (左)是緊湊、高效的 48V 轉(zhuǎn) 12V 降壓非隔離 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。

這些模塊采用的精密設(shè)計僅需少量外部組件，就可顯著提升板級功率密度（如圖 2 所示）。它們的開關(guān)頻率超過 1MHz 時，峰值效率高達(dá) 96%，這充分表明其對系統(tǒng)熱負(fù)荷影響極低。這些轉(zhuǎn)換器既可獨立使用，也可與下游負(fù)載點（PoL）產(chǎn)品配合使用，以支持高效的配電網(wǎng)絡(luò)。

圖 2：DCM3717 與 DCM3735 的高度集成極大降低了設(shè)計挑戰(zhàn)與潛在問題。

這種表面貼裝（SM-ChiP）轉(zhuǎn)換器采用電鍍覆膜封裝，使其結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比分立式解決方案更加緊湊（如圖 3 所示）。數(shù)據(jù)說明了一切：1000W 的 DCM3717 其具體尺寸為僅 36.7mm × 17.3mm × 5.2mm，而 2000W 的 DCM3735 為 36.7mm × 35.4mm × 5.2mm。盡管體積小巧，這些封裝仍具有出色的散熱性能，散熱均勻且可預(yù)測，因為封裝的上下表面熱阻抗較低，便于熱管理。

圖 3：與分立式方案(左)相比，SM-ChiP 實施方案(右)可實現(xiàn)更加緊湊的板級電源解決方案。

圖 4：NBM2317 雙向 DC-DC 轉(zhuǎn)換器可將標(biāo)稱 48V 電源軌降壓至 12V，以支持傳統(tǒng)組件。

同一模塊還可用于升壓模式，能夠?qū)鹘y(tǒng) 12V 母線提升至 48V 母線，從而為低壓母線系統(tǒng)中的新硬件供電（如圖 5 所示）。

圖 5：NBM2317 雙向 DC-DC 轉(zhuǎn)換器亦可實現(xiàn) 12V 轉(zhuǎn) 48V 的升壓轉(zhuǎn)換，直接為 48V 電源軌及其他局部 DC-DC 轉(zhuǎn)換器供電。

SM-ChiP 板載封裝技術(shù)可提供高密度、高效率、低成本的解決方案，以應(yīng)對新舊母線電壓挑戰(zhàn)。其尺寸僅為 23mm × 17mm × 5.2mm，占板面積只有傳統(tǒng)低頻（低于 1MHz）轉(zhuǎn)換器的一小部分。

這款非隔離型橋接轉(zhuǎn)換器可提供 1000W 連續(xù)功率與 1.5kW 峰值功率，在 800W 負(fù)載時峰值效率達(dá) 97.9%。其額定輸出電流（降壓模式）為 60A 連續(xù)電流與 100A 瞬態(tài)電流（持續(xù) 2ms），而升壓模式對應(yīng)值為 15A 連續(xù)電流與 25A 瞬態(tài)電流。內(nèi)置濾波功能無需外接組件即可實現(xiàn)低噪聲輸出，對負(fù)載端瞬態(tài)的響應(yīng)時間低于 1μs，同時將輸出電壓穩(wěn)定維持在較窄的電壓范圍內(nèi)。

結(jié)論

從傳統(tǒng) 12V 設(shè)計轉(zhuǎn)向 48VDC配電網(wǎng)絡(luò)的理由令人信服。這樣做可以有效解決能效提升、線纜尺寸與管理優(yōu)化以及損耗控制等日益嚴(yán)重的問題。與此同時，傳統(tǒng) 12V 母線仍在使用，且 12V 負(fù)載和組件在可預(yù)見的未來也不會被取代。Vicor 的降壓模塊與雙向降壓轉(zhuǎn)換器提供靈活解決方案，為多種雙母線混合應(yīng)用場景提供理想的技術(shù)支撐。