僅需更換兩個(gè)組件，即可將 DC-DC 轉(zhuǎn)換器輸出從 12V 切換為 48V

支撐汽車行業(yè)數(shù)十年的傳統(tǒng) 12V 架構(gòu)，如今已難以應(yīng)對汽車系統(tǒng)中日益增長的電子負(fù)載。

現(xiàn)代汽車依賴于高性能的 ADAS 計(jì)算機(jī)、多傳感器感知系統(tǒng)、電動底盤、區(qū)域控制器以及大功率發(fā)熱負(fù)載。這些功能雖然使汽車更智能、更安全，但也極大增加了電源設(shè)計(jì)人員的工作復(fù)雜性。這些功能對功率密度提出了更高要求，并帶來了難以在 12V 母線上管理的 I2R 損耗。因此，整個(gè)行業(yè)的汽車制造商都準(zhǔn)備全面過渡到 48V 架構(gòu)，將其作為新的 SELV 域。

然而，向 48V 轉(zhuǎn)換并非易事。汽車制造商需要考慮與現(xiàn)有 12V 負(fù)載的兼容性，同時(shí)還要滿足更高系統(tǒng)電壓下的新安全要求。每一次架構(gòu)過渡還意味著需要進(jìn)行重新認(rèn)證、PCB 重新設(shè)計(jì)和熱性能的重新驗(yàn)證。

綜上所述，工程師希望找到一條向 48V 過渡的路徑，避免從頭開始重建每一級電源。模塊化電源轉(zhuǎn)換架構(gòu)提供了最實(shí)用的方法，因?yàn)樗С挚焖贁U(kuò)展、靈活重新配置，并能在多個(gè)車輛平臺間復(fù)用認(rèn)證結(jié)果。

圖 1：單個(gè) Vicor 電源模塊就是一個(gè)完整的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部集成了數(shù)百個(gè)經(jīng)過優(yōu)化的微型組件。

為什么傳統(tǒng)方案越來越難以為繼?

傳統(tǒng)的分立式轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)依賴于由 MOSFET、磁性元件、驅(qū)動器和控制 IC 組成的大型組件陣列。這種方法雖然可行，但當(dāng)設(shè)計(jì)目標(biāo)發(fā)生變化、需要重新設(shè)計(jì)時(shí)，整個(gè)過程變得非常繁瑣。每次需求發(fā)生變化時(shí)，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)幾乎都必須重新設(shè)計(jì) PCB 布局，因?yàn)榻M件排布、回路幾何結(jié)構(gòu)以及熱路徑很難跨版本復(fù)用。

例如，為了實(shí)現(xiàn) 95%–97% 的效率，分立式轉(zhuǎn)換器往往需要體積龐大的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以維持熱設(shè)計(jì)裕量。這些設(shè)計(jì)通常依賴厚重的散熱器或液冷回路，一旦需求發(fā)生變化，就必須重新設(shè)計(jì) PCB，并重新考慮熱設(shè)計(jì)和進(jìn)行新的驗(yàn)證。

當(dāng)轉(zhuǎn)換器直接由 800V 牽引電池供電時(shí)，這些挑戰(zhàn)會進(jìn)一步加劇。更高的系統(tǒng)電壓會增加爬電距離和電氣間隙要求，而這會增加 PCB 尺寸，并要求使用更昂貴的絕緣材料。此外，EMI 性能也更難以控制，因?yàn)榕c大板面積和大量組件相關(guān)的寄生參數(shù)會在每次更新時(shí)疊加，使情況更為復(fù)雜。即使電源架構(gòu)在初始階段表現(xiàn)良好，但隨著需求增長，其維護(hù)會變得越來越困難。

認(rèn)證流程帶來額外限制。一個(gè)典型的高壓轉(zhuǎn) 48V 分立式轉(zhuǎn)換器可能包含 200 多個(gè)組件，而每個(gè)器件都需要供應(yīng)鏈管控和 PPAP 文件。當(dāng)汽車制造商更新平臺或增加新的 ADAS 或底盤負(fù)載時(shí)，工程師必須對整個(gè)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行重新認(rèn)證。

當(dāng)供電網(wǎng)絡(luò)（PDN）的演進(jìn)速度超過工程師重新設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換器硬件的速度時(shí)，分立式設(shè)計(jì)便成為瓶頸。

可提高系統(tǒng)可擴(kuò)展性與靈活性的模塊化設(shè)計(jì)

模塊化電源架構(gòu)徹底改變了這一局面。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)無需為每個(gè)新應(yīng)用重新設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換器，而是通過組合可互操作的模塊來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)構(gòu)建。

這種模塊化方法以緊湊、高功率密度的構(gòu)建模塊取代大型轉(zhuǎn)換器陣列，將開關(guān)、磁性元件與控制集成到一個(gè)經(jīng)過熱優(yōu)化的模塊中（見圖 1）。每個(gè)模塊都是一個(gè)電氣特性可預(yù)測的成熟單元。一旦設(shè)計(jì)人員認(rèn)證了一個(gè)模塊，他們就可以在未來的項(xiàng)目中重復(fù)使用它，而無需重復(fù)驗(yàn)證。也就是說，只需認(rèn)證模塊本身，而不必對其內(nèi)部的所有組件逐一進(jìn)行認(rèn)證。因此，模塊可以簡化合規(guī)流程，并縮短工程團(tuán)隊(duì)針對新負(fù)載設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)的時(shí)間。

在系統(tǒng)層面，模塊化設(shè)計(jì)使 PDN 更加靈活。工程師可以通過串聯(lián)或并聯(lián)模塊來改變功率等級，而無需修改電路板布局。而且這種方法同時(shí)支持集中式和區(qū)域式兩種電源架構(gòu)。例如，一個(gè)原本在中央電源盒中實(shí)現(xiàn)高壓轉(zhuǎn) 48V 的轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過極少的設(shè)計(jì)修改，就可以部署到電池殼體內(nèi)或區(qū)域節(jié)點(diǎn)中。以前需要為 ADAS 計(jì)算機(jī)和分布式執(zhí)行器集群創(chuàng)建獨(dú)特設(shè)計(jì)的工程師，現(xiàn)在可以復(fù)用一套通用的模塊。

高壓轉(zhuǎn) SELV 的挑戰(zhàn)

在高壓轉(zhuǎn) SELV的階段，分立式方案的局限性最為明顯。從牽引電池到 SELV 的轉(zhuǎn)換步驟給轉(zhuǎn)換器帶來了最大的電氣和機(jī)械應(yīng)力，并放大了布局、寄生參數(shù)控制或熱設(shè)計(jì)方面的任何不足。工程師必須同時(shí)應(yīng)對高 dV/dt 邊沿、嚴(yán)格的爬電距離與電氣間隙要求，以及隨組件數(shù)量增加而加劇的 EMI 敏感性。

隨著 SELV 負(fù)載動態(tài)性的增強(qiáng)，這些限制變得更加突出。主動懸架執(zhí)行器和 ADAS 計(jì)算電源軌會產(chǎn)生快速電流變化，要求轉(zhuǎn)換器在不出現(xiàn)壓降、過沖或延遲的情況下穩(wěn)定響應(yīng)。分立式轉(zhuǎn)換器難以滿足這些需求，因?yàn)樗鼈兊乃矐B(tài)響應(yīng)取決于大功率級的布局以及眾多分立式組件的相互作用。

現(xiàn)代固定比率諧振拓?fù)渫ㄟ^在緊湊的封裝內(nèi)提供高效率與快速瞬態(tài)響應(yīng)解決了這個(gè)問題。憑借軟開關(guān)和低寄生結(jié)構(gòu)，它們可以降低開關(guān)損耗，改善 EMI 控制，并在動態(tài)負(fù)載條件下提供穩(wěn)定的性能。例如，BCM6135 固定比率轉(zhuǎn)換器可在 800V 和 48V 之間進(jìn)行雙向轉(zhuǎn)換，效率接近 99%，瞬態(tài)電流變化率（di/dt）達(dá) 8MA/s。

圖 2：憑借快速瞬態(tài)響應(yīng)和極高的效率，固定比率轉(zhuǎn)換器可以消除汽車系統(tǒng)中對輔助電池的需求。由于轉(zhuǎn)換器能夠直接為所有負(fù)載供電，該架構(gòu)不再需要傳統(tǒng)的緩沖器或輔助電池。這種“虛擬電池”概念顯著減輕了電動汽車系統(tǒng)的重量，降低了成本和復(fù)雜性。

隨著模塊化轉(zhuǎn)換器達(dá)到這種瞬態(tài)性能水平，它們開始以一種過去所需要 SELV 母線上專用儲能的方式支持動態(tài)負(fù)載（圖 2）。由于轉(zhuǎn)換器充當(dāng)快速負(fù)載的直接電流源，該架構(gòu)不再依賴于傳統(tǒng)的緩沖器或輔助電池?！疤摂M電池”的概念顯著減輕了了電動汽車系統(tǒng)的重量，降低了成本和復(fù)雜性。

集中式與區(qū)域式供電網(wǎng)絡(luò)

從 12V 集中式電源架構(gòu)向 48V 區(qū)域電源架構(gòu)過渡，將帶來新的電氣與機(jī)械挑戰(zhàn)。

在集中電源架構(gòu)中，一個(gè)中央模塊負(fù)責(zé)將高壓電池降壓并通過粗線束分配 12V 電源。但隨著車輛功能增多，12V 電流變得過大，線束也變得越發(fā)笨重和復(fù)雜。區(qū)域架構(gòu)通過在整車內(nèi)分配 48V 電源，并在負(fù)載點(diǎn)完成 48V 到 12V 的轉(zhuǎn)換來解決這個(gè)問題。

在相同功率水平下，48V 電源軌可將系統(tǒng)電流降低至原來的四分之一。電流降低后，設(shè)計(jì)人員最多可將線束重量減輕 85%，并顯著簡化布線。這樣，區(qū)域控制器就能夠在本地為負(fù)載供電，而無需長距離大電流路徑。電動防側(cè)傾穩(wěn)定系統(tǒng)或電子制動助力等高功率功能也更適合采用 48V 架構(gòu)，因?yàn)樗鼈儞p耗更低，產(chǎn)生的熱量也更少。

在 48V 成為主流低壓母線之前，12V 和 48V 負(fù)載將繼續(xù)在同一平臺內(nèi)共存。在這一過渡階段，模塊化轉(zhuǎn)換器能夠靈活地同時(shí)支持兩個(gè)電壓域，而無需增加系統(tǒng)復(fù)雜度或重新設(shè)計(jì)。

這是下一代演示系統(tǒng)的核心：靈活性一個(gè)簡單的虛線圓標(biāo)題

為了展示模塊化電源可實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)靈活性，Vicor 創(chuàng)建了 Paladin 參考平臺。Paladin 是一個(gè) 4kW、800V 轉(zhuǎn) 12V/48V 的演示平臺，總體積僅 1.1 升，功率密度達(dá) 3.6 kW/L。該平臺包括兩個(gè)用于高壓轉(zhuǎn) SELV 步驟的高壓轉(zhuǎn)換級，以及兩個(gè)可互換的低壓位置，可以兼容PRM 穩(wěn)壓器或DCM DC-DC 轉(zhuǎn)換器。這些模塊安裝在具有通用機(jī)械接口的載板上，使工程師無需改動 PCB、外殼或認(rèn)證文件即可重新配置輸出。

圖 3：Paladin 系統(tǒng)的分解圖顯示了高壓轉(zhuǎn) SELV 功率級安裝在具有通用機(jī)械接口的載板上，支持快速重新配置。只需更改模塊選擇，設(shè)計(jì)人員即可生成穩(wěn)壓 12V 輸出、穩(wěn)壓 48V 輸出或混合電壓軌配置。

高壓轉(zhuǎn)換器位于系統(tǒng)一側(cè)，而 PRM 與 DCM 模塊安裝在載板組件中（見圖 3）。這些載板可支持機(jī)械結(jié)構(gòu)互不相同的模塊，并為 PCB 提供一個(gè)統(tǒng)一接口。只需更改模塊選擇，設(shè)計(jì)人員即可生成穩(wěn)壓 12V 輸出、穩(wěn)壓 48V 輸出或混合電壓軌配置。

從電氣層面看，Paladin 是一個(gè)完整的供電網(wǎng)絡(luò)概念驗(yàn)證系統(tǒng)。它支持雙向運(yùn)行、高瞬態(tài)性能以及緊湊的熱設(shè)計(jì)。若采用分立式設(shè)計(jì)來支持同樣的三種輸出配置，則需設(shè)計(jì)三塊完全不同的 PCB，并更換數(shù)百個(gè)組件。而 Paladin 只需一塊電路板就能支持同樣的三種配置，組件數(shù)量減少了 50%，并且每個(gè)輸出軌只需更換一個(gè)組件即可改變輸出電壓。

希望構(gòu)建量產(chǎn)系統(tǒng)的工程師可以將 Paladin 作為設(shè)計(jì)的起點(diǎn)。

讓高壓轉(zhuǎn) SELV 更快速、更輕松、更簡單

向 48V 架構(gòu)過渡可能帶來許多復(fù)雜問題。然而，模塊化方案能夠降低設(shè)計(jì)難度，為工程師提供更輕松的路徑，打造可擴(kuò)展、緊湊且靈活的解決方案。像 Paladin 這樣的系統(tǒng)實(shí)實(shí)在在地證明，模塊化設(shè)計(jì)已準(zhǔn)備好支持行業(yè)演進(jìn)過程中的嚴(yán)苛要求。

圖 4：Paladin 是一個(gè) 4kW、800V 轉(zhuǎn) 12V/48V 的演示平臺，總體積僅 1.1 升，功率密度達(dá) 3.6 kW/L。該平臺尺寸僅為 275 x 155 x 27.3mm，包含兩個(gè)用于高壓轉(zhuǎn) SELV 步驟的高壓轉(zhuǎn)換級，以及兩個(gè)可互換的低壓位置，可以兼容 PRM 穩(wěn)壓器或 DCM DC-DC 轉(zhuǎn)換器。

模塊化方法不僅能夠縮小 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的尺寸，還能提供出色的靈活性，最多更換兩個(gè)組件即可支持 12V 與 48V 電源。在設(shè)計(jì)面向未來的高壓轉(zhuǎn) SELV 電源解決方案時(shí)，模塊化方法是比分立式設(shè)計(jì)更為簡單的替代方案。