48 V技术的魅力：系统级应用中的重要性、优势与关键要素
作者：Christian Cruz，应用开发工程师
简介
48 V电源电压用途广泛且与现有基础设施兼容，因此在各种应用中发挥着关键作用。以前，配电系统严重依赖标准12 V或24 V电平。然而，现代设备和电子产品的功率需求不断增加，对系统效率和能源经济性要求也逐渐提高，因此，48 V等更高电源电压逐渐受到青睐。
数据中心汇集了超级计算机等高算力设备，非常需要节能解决方案。48 V电源电压在传输效率和转换损耗之间取得了平衡，是一种比较出色的折衷方案。提高电压可以减少配电损耗，降低总体能耗。
48 V电源电压也有利于汽车行业，尤其是电动汽车(EV)。电动汽车的先进功能和电驱动子系统日渐增加，人们也越来越需要更节能的解决方案。48 V架构改善了再生制动期间的能量回收，并更易于集成电子转向助力和高级驾驶员辅助系统等大功率组件。
48 V电源电压的优势
采用48 V电源电压，不仅能提升系统效率，还能为设计提供更灵活的选择。以下是一些主要优势：
• I2R损耗更低
o 配电系统中的电阻损耗（I2R损耗）会对效率产生重大影响。与较低电压系统相比，功率水平一定时，48 V电源电压系统的电流更低。因此，传输过程中的I2R损耗更低，整体系统效率更高。
• 功率密度更高
o 与较低电压系统相比，48 V电源电压支持使用更小的导线和元件来传输同一功率。这相当于提高了功率密度，因此可以让设计更加紧凑，特别适合空间有限的应用。
• 增强电压调节能力
o 根据定义，电压电平越高，电压调节能力越强，这对于波动敏感型应用非常关键。为了保持可靠运行，工业自动化和通信系统通常需要稳定且经过良好调节的电压电平。
• 设计灵活性
o 48 V电源电压支持更多设计选择。支持集成电压需求各不相同的众多子系统。电机、传感器和通信接口都可以在同一个系统中共存。
• 与可再生能源兼容
o 48 V电源电压与可再生能源系统（如太阳能装置）中太阳能电池板的电压输出完美匹配。这种互操作性使得我们可以轻松将可再生能源纳入现有电力系统。
图1.系统内的高效电压转换1
48 V电源电压实施要点
实施过程中必须充分考量注意事项，才能充分利用48 V电源电压的优势。让我们从系统级、工业和通信应用的角度来了解这些基础知识。
高效电压转换
虽然48 V越来越受欢迎，但并非所有设备和组件都能直接处理该电压电平，而是需采用高效的电压转换方法（如DC-DC转换器）来降低电压，以满足子系统对更低电源电压的需求。参见图1。
热管理
图2.ADI-BBU模块2和四分之一砖块参考设计
图2备用电池单元(BBU)模块中的较高电压电平和四分之一砖块参考设计方法可能会产生较大的热量。散热器、风扇和热设计考虑等热管理方法对于确保48 V组件的寿命和可靠性至为关键。
安全措施
图3.轻度混合动力电动汽车中48 V与12 V之间的电气隔离3
安全是所有电气系统的重中之重。虽然48 V电源电压不是特别高，但也必须配备足够的安全预防措施，例如电路保护、隔离栅和接地，以避免与电气故障相关的风险。48 V和12 V系统应用就使用了隔离栅来实现电气隔离，如图3所示。BBU模块Modbus®通信方法借助ADM2561E在BBU模块与BBU架之间建立隔离通信。
通信协议
图4.开放计算项目Open Rack V3架构4
在现代工业和通信应用中，互操作性至关重要。实施标准化的通信协议可确保在48V运行的子系统之间实现无缝的数据交换，从而提高整个系统的效率。开放计算项目（OCP）正在引领新的数据中心架构的持续采用。该组织为48V系统的电力整流器、BBU（电池备份单元）、网络、存储和服务器提供了完整的架构设计。请参见图4。
监测与控制
为使系统始终保持出色性能，需要持续实时监测电压电平、电流和温度。可以采用智能控制系统来主动管理这些要素。通过无缝协调实时调整，这些系统不仅可以预测故障，还能为预防性诊断铺平道路，将系统效率和可靠性提升到更高水平。
实际应用
48 V电源电压已应用到众多领域和技术中。下文的一些实际例子将带您理解其重要意义：
电信电源系统
图5.电信——48 V配电系统5
电信网络是现代社会的基石，而电信网络的稳定运行离不开持续可靠的电力供应。48 V架构作为可靠性和效率的基础，正逐渐崭露头角，改变电信电源系统的格局。参见图5。这些系统负责提供全球通信，其电力基础设施必须要能够承受地区差异和停电意外。
然而，48 V架构的真正优势在于可以克服地理限制。在偏远的内陆地区和受灾地区，传统电力基础设施可能缺失或老化，但48 V架构不会受到影响。即使环境条件较为苛刻，它也能可靠地提供电力，成为通信服务的有力保障。该架构固有的耐久性确保孤立无援的群众能在需要帮助时保持联系，在紧急情况下保障关键通信，并通过超强连接能力促进农村发展。
工业自动化中的电力驱动
在工业自动化领域，精度和效率至关重要。48 V电源电压在这种动态环境中大放异彩，可以为电动机、传送带到机械臂等各种关键部件提供动力。该电压电平是功率密度和控制的基础，不仅能协调系统稳定运行，还能减少能量损失，并进一步提高工业自动化水平。
混合电力系统
混合电力系统为难以接入传统电网的农村和无电网地区带来了新的能源使用方式。这些先进系统将可再生能源（主要是太阳能电池板）与现代储能设施无缝结合，提供可靠且可持续的能源解决方案。在本例中，48 V电源电压与太阳能输出的兼容性，对于有效弥补太阳能电池板能量与各种应用需求之间的差距具有重要影响。
48 V电源电压与太阳能电池板产生的电压范围完全一致，有助于实现高效的能量转换和分配。这种兼容性消除了高压转换的需要，而高压转换是能源损失、效率低下和成本增加的主要原因。48 V架构通过与太阳能输出准确匹配来尽可能提高能量收集效率，太阳能产生的电力可以直接进入系统，损失很小。
此外，48 V电源电压和太阳能输出的一致性使混合电力系统安装具有良好的成本效益。简化的电压转换过程无需复杂且昂贵的器件，安装和维护成本更低。这种可以降低成本的做法，对于那些远离电网的社区和企业来说是一次意义重大的变革，不仅让可再生能源触手可及，还带来了更加经济的解决方案。
电动汽车
图6.48 V轻度混合动力电动汽车6
48 V设计在电动汽车中的应用（如图6所示）是一个战略性步骤，带来了诸多益处。这种电压范式对于改善全车子系统的电源分配非常重要。除了在电源分配中的作用外，48 V架构还提供一系列新功能，例如再生制动，即在制动过程中回收能量。此外还支持集成有助于提高乘客舒适度的辅助系统，包括高级HVAC（供暖、通风和空调）系统和先进多媒体设备。48 V架构使得这种全面的电动汽车设计成为可能，不仅提升了能源经济性，而且通过优化功率使用、资源管理和车内便利设施，改善了整体驾驶体验。
虽然48 V电源电压可以为系统级应用带来不少优势，但我们也必须正视这种系统可能存在的一些缺点。
需要考虑的缺点：
组件兼容性和可用性
切换到48 V电源电压需要仔细评估现有系统组件，进而某些组件可能需要更换或调整。然而，一个潜在问题是，能兼容指定额定电压的组件不多。这可能导致采购价格上涨，系统顺利整合的时间也可能延后。因此，制定正确的战略规划和采购方案很重要。参见图7。
设计复杂度
48 V电源电压往往会导致在一个时期内增加设计复杂度。实施阶段通常需要谨慎处理复杂的设计问题，例如准确的电压调节、完善的热管理策略和稳健的安全标准。复杂性提高可能会延长开发周期，并增加对具体技术技能的需求。因此，企业需要组建一支经验丰富、能力出众的设计团队，以便高效应对这些复杂的挑战。
电压相关风险更高
虽然48 V并不是特别高，但也仍然可能带来安全问题，尤其是在没有充分实施基本安全预防措施的情况下。电压电平升高可能会提升触电风险和其他危险，因此必须采取严格的安全预防措施。
转换损耗增加
当需要转换电压以便为需要较低电压电平的组件（如传感器或低功耗设备）供电时，额外的转换步骤可能会导致提高系统中的能量损失。这会抵消48 V电源电压的一些能效提升优势。
传统系统采用有限
对于针对较低电压电平的传统系统，切换到48 V电源电压需要进行仔细评估。后续的调整工作可能会面临一些障碍，使其既不切实际，又成本过高。改造现有基础设施以顺利支持48 V标准可能是一项复杂且耗时的任务，需要进行重大调整和战略规划，以确保兼容性和出色性能。
尺寸和空间限制
虽然48 V设备的电流水平较低，可支持更高的功率密度，但可能不适合对尺寸和空间有严格要求的应用。额外的绝缘和安全预防措施要求可能导致组件尺寸加大。参见图8。
电磁干扰(EMI)增加
电压电平升高会增加电磁干扰(EMI)，进而还会导致严重问题。电磁干扰会让精密组件和复杂通信网络无法平稳运行。因此，有必要额外采用屏蔽技术和高标准滤波技术，以有效抵消和减轻EMI的负面影响，确保关键系统持续可靠运行。
可扩展性挑战
虽然48 V对于许多应用来说都是合理的选择，但某些情况可能会有更优选。某些应用，特别是功率水平更高的应用，可能需要使用其他电压设计来满足特定需求。
成本考虑
采用48 V电源电压需要仔细考虑前期成本，包括更换组件、协调系统开发以及实施关键安全措施等的成本。这些初始费用可能会对整个项目预算产生显著影响，具体影响取决于实际应用和所处的行业。面对这些潜在的费用，明智地分配资源对于能否顺利整合和实现成功至关重要。
结论
48 V电源电压不再是小众选择，而且已经成为了系统级、工业和通信应用的关键组成部分，可以满足人们日益增长的节能解决方案需求，并兼具效率更高、功率密度更高和设计灵活性更大等优势然而，48 V应用的成功离不开高效的电源转换、严格的热管理、稳健的安全预防措施、标准化的通信协议以及复杂的监测和控制系统。随着技术环境的演变，48 V电源电压仍是多个领域的关键创新推动因素，未来将继续提供高效可靠的动力。
图7.电解液干涸造成电解电容器电容降低7
图8.电容器输出侧电路安装注意事项8
此外，在系统级应用中，48 V电源电压能带来显著优势，值得设计人员或应用工程师深入研究。然而，我们也必须全面权衡，充分认识到这种选择可能带来的潜在弊端。针对特定应用，为了明智地使用该电压电平，应综合考虑组件兼容性、设计复杂度、安全预防措施、能量转换损耗和相关成本。
参考资料
1 Brad Xiao和Nazzareno “Reno” Rossetti，“处理48 V至12 V降压”，《Power Electronics Tips》（电源提示），2021年2月。
2 Christian Cruz、Gary Sapia和Marvin Neil Cabueñas，“实现不间断能源的智能备用电池第一部分：电气和机械设计”，《模拟对话》，第57卷第4期，2023年12月。
3 Anant Kamath，“简化HEV 48 V系统的隔离CAN电源接口”，《Electronic Design》（电子设计），2019年4月。
4 Glenn Charest、Steve Mills和Loren Vorreiter，“Open Rack V3基本规范”，开放计算项目，2022年9月。
5 “电信系统电源”，ADI公司，2002年7月。
6 “48 V降压转换器助力MHEV满足燃料排放标准”，ADI公司，2020年3月。
7 “它对于数据中心而言是否必不可少？需要48 V电源的原因以及相关电源设计挑战”，Panasonic Industry，2021年8月。
关于ADI
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球领先的半导体公司，致力于在现实世界与数字世界之间架起桥梁，以实现智能边缘领域的突破性创新。ADI提供结合模拟、数字和软件技术的解决方案，推动数字化工厂、汽车和数字医疗等领域的持续发展，应对气候变化挑战，并建立人与世界万物的可靠互联。ADI公司2023财年收入超过120亿美元，全球员工约2.6万人。携手全球12.5万家客户，ADI助力创新者不断超越一切可能。更多信息，请访问
www.analog.com/cn
作者简介
Christian Cruz是ADI菲律宾公司的应用开发工程师。他拥有菲律宾马尼拉东方大学的电子工程学士学位。他在模拟和数字设计、固件设计和电力电子领域拥有超过12年的工程经验，包括电源管理IC开发以及AC-DC和DC-DC电源转换。他于2020年加入ADI公司，目前负责支持基于云的计算和系统通信应用的电源管理需求。
