低功耗/小尺寸同時滿足  電源設計大舉轉向48V架構

作者: 陳曆忠
2018 年 03 月 29 日

實現「更多功能」需要提供更多電源。更多電源一般受尺寸和/或重量限制約 束。這就是為什麼越來越多產業從一般的12V配電轉而採用更高電壓的48V配電的原因所在。

48V實現低功耗與小體積

系統內的I2R損耗可能會對系統效率不利,而且鑒於線纜、連接器和/或PCB的限制,可能還會顯著降低提供給負載的功率。

例如伺服器中的處理器功耗從不足100W增加到了200W、300W乃至更高。如果不使用更高電壓配電或更大銅箔面積來緩解,將這一增大的功率分配給多個伺服器、處理器,會產生更多的損耗。

不只是伺服器,任何增大電源的設計帶來的損耗都會隨電流的平方而增大。更高電壓的配電可降低I2R損耗。舉例而言,48V配電方案與12V配電方案相比,能將功耗大幅降低16倍。損耗降低如此之大,怎麼還會有人使用低壓(比如12V)配電方案?

原因就在於如果將較高電壓轉換器與較低電壓轉換器對比,高壓配電方案實際上會降低整體效率,提高成本並增大尺寸/重量。

但轉換器的這些弊端基本已成歷史。今天,工程師不僅可降低I2R損耗,而且還可利用能實現與較低電壓轉換器相似或更優異的效率、成本和尺寸/重量指標的較高電壓轉換器。

關於上述提到的技術改良,我們應該感謝現代電話和電話交換機的發展,它們是最早使用48V電壓的應用。和您預想的一樣,通訊產業以48V為標準,如今仍然使用48V電壓(圖1)。

圖1 現代電話和電話交換機的發展是最早使用48V電壓的應用。
圖1 現代電話和電話交換機的發展是最早使用48V電壓的應用。

48V就是新12V 應用領域更廣泛

與12V相比,48V電壓將會帶來更高效率。因為隨距離變化而產生的損耗(以工作電壓的百分比計)更低、標準線路要求更少、電池備援(也是因為負參考電壓為48V)簡單,而且該電壓位準很安全。

許多人把在通訊領域外使用48V視為「新48V」,因為它以正極為參考,無抗雷擊或突波要求,而且一般限定在30V至60V的更小範圍內。

與12V應用相比,低於60V DC限值的電壓,按照其處理要求,被視為安全超低電壓(SELV)。48V配電方案可在不造成SELV問題的情況下,最大限度降低I2R損耗。

48V目前廣泛用於資料中心、汽車、LED照明、工業設備乃至電動工具等領域。一般人一天中總會看到/使用幾種48V應用,因此,48V可說是新的12V也不為過。

資料中心和超級電腦對電源的要求越來越大,而且效率是這些高效能運算中心的關鍵。隨著對人工智慧關注的激增,運算解決方案要求處理器能跟上不斷成長的功率需求。

然而,提供更高處理器電源給使用傳統12V供電並保持效率帶來了實際的挑戰。因此,工程師轉而採用48V配電,以實現更高位準的配電,克服這些挑戰。

48V獲Google工程師青睞

使用48V的實例之一就是Google。Google工程師在2017年應用電源電子大會(APEC2017)和2017年開放式運算專案大會(OCP2017)上公開討論了48V在其資料中心和成本節省的優勢。

在宣布最新綠色500強時,另一個採用48V的實例是2017超級運算大會上的一大亮點。

綠能500強是對高效能電腦系統的排名。2017年的綠能500強前五名中的四名均是日本公司PEZY設計的系統。該公司在其整個電腦系統中均使用48V配電。

商業LED面板亮度更高成本更低

有沒有想過時代廣場一夜的照明成本是多少?這些巨大戶外LED螢幕的尺寸及電源需求近10年來一直在呈指數級成長。

LED面板效能不斷提高,帶來了更高的LED像素密度及亮度。設計這些全新面板的工程師正轉而使用48V配電,以在提高效率的同時,縮減電線尺寸及重量。

除了提高效率,這些更大規模的設施還能從更輕的重量和輕鬆的安裝中獲益。今天,一個陣列的較小面板可組裝在一起,形成亮度更高、更經久耐用的統一顯示幕,其可降低運輸與安裝難度。

對於零售商店壁掛式顯示幕和交通運輸中心資訊顯示幕使用的AC配電,48V配電也可提供成本更低、更加安全的替代方案。

電動工具、汽車帶動48V使用

消費類及專業電池供電工具也遵循類似的趨勢,轉而使用更高的電壓提供更大的功率。更大的功率可為工具實現更長的執行時間和更大的扭力。

無線電動工具的電池發展過程是這樣的:從大約9V到大約12V,再到大約18V到大約20V,然後再到大約24V,到現在的48V和60V。

走進任何一家居家中心,您都能找到各種60V電池的電動工具,有的來自DeWalt等知名企業,有的來自知名度較低的Greenworks等新興企業。

同樣,您還會找到各種較輕的庭院電動工具,如Snapper的高效能60V鏈鋸和割草機。

在現有內燃機車輛基礎上適度增加一些組件,輕型混合動力車的燃油效率就能提高10%以上。

汽車工程師(例如Delphi的汽車工程師)正在輕型混合動力車中使用48V配電方案,以透過在「啟停」工作中的「停止」階段為輔件供電,減輕內燃機的負荷(圖2)。

圖2 汽車工程師正在輕型混合動力車中使用48V配電方案。
圖2 汽車工程師正在輕型混合動力車中使用48V配電方案。

最初的設計採用純12V電池方案,但系統在停止階段供電不足,無法全面運作車內的所有功能。48V方案現已證明,是最高效率的替代方案。

工廠設備眾多48V展現優勢

工業設備涵蓋的產品眾多,它們正在充分發揮48V的優勢,其原因也是為了提高功率。

Kiva Systems是一種用於大型倉庫的機器人執行系統,其正在使用48V配電為亞馬遜倉庫提供全方位的支援。Advantest使用48V最大限度縮小其ATE產品的電線尺寸,以透過更細的電線提高更大的功率。

CAT提供48V倉庫自動裝卸車。48V應用的其它實例還有程式控制、製造設備和工廠自動化設備。

如果需要更大功率,請考慮48V配電。工程師發現只採用12V配電將增加功率,進而導致的損耗正約束著他們的系統。與12V系統相比,今天的增強型48V轉換器/穩壓器可實現更高效率、低成本以及小尺寸/輕量化優勢。許多電源設計正在採用可直接從48V轉換為負載電壓,毋須先穩壓至12V的單個穩壓器替換多個中間級穩壓器,進而從中獲得更多的優勢。

48V DC-DC過去幾年得到了長足發展,現已有多家元件供應商提供48V解決方案。

Vicor提供的48V DC-DC穩壓器和隔離式轉換器透過其幾項專有設計技術刷新了效率、密度和成本效能,這些技術中包括了:

1.零電壓切換等高效率開關拓撲結構

2.可實現SM-Chip封裝等高密度電源封裝的3D封裝技術

此外,正在設計48V系統的工程師還可藉助線上選擇/設計工具,縮短設計階段並確保最佳化的解決方案。

Vicor的48V架構稱為FPA(Factorized Power Architecture),由兩個部分構成。前端為採用升降壓拓撲結構的預穩壓模組(PRM),提供穩定的Vf母線電壓,輸出電壓會根據負載的變化快速回應。後端為採用專利正弦幅值變換器(Sine Amplitude Converter)的電壓變壓模組(VTM),將Vf母線電壓轉換到負載點電壓,其工作特性為理想變壓器,可以將能量存儲在高壓側電容,進而盡力減少負載點的大電容。

VTM採用零電壓、零電流的軟開關科技,工作頻率高達2MHz以上,具有領先的功率密度,Intel實驗室的測試表明,其雜訊比傳統的12V VR低一個數量級,因此可以放置在非常靠近CPU的地方,進一步減少電源輸出端到CPU電源引腳間的功率損耗。

隨著高性能計算,以及GPU等應用發展,未來的伺服器功耗將不斷增加,越來越多的機櫃內母線電壓在往48V方向轉變,特別是在HPC等高效能計算場合。目前國內伺服器廠商已經推出了關於48V直流輸入的伺服器驗證機(圖3)。

圖3 目前國內伺服器廠商已經推出了關於48V直流輸入的伺服器驗證機。
圖3 目前國內伺服器廠商已經推出了關於48V直流輸入的伺服器驗證機。

(本文作者為Vicor市場拓展經理)

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