在12V和48V电源系统间“搭桥”，你需要什么样的总线转换器?
品慧电子讯将电能由电源传输到分布在电子系统中的各个负载，这个工作主要是由配电网络（简称为PDN）来完成的。PDN一般由电缆、汇流排、连接器、PCB中的铜箔电源层、电源转换器和稳压器组成，根据配电网络的电压通常被分为低电压（LV）、高电压（HV）和超高电压（UHV）三类。随着负载点用电功率的提升，提高配电网络电压，成了一个大趋势——以低电压PDN为例，从传统的12V向48V系统升级，一直是近年来电源工程师们努力的方向。
为什么要提升配电网络的电压？这个原因很容易理解：系统负载功率增加后，根据功率公式P=I*V，电压不变而想要承载更大的功率，就需要增加电流。而电流的增加一方面会使电能传输过程中的功率消耗加大，另一方面也需要使用更大尺寸的组件（如电缆、连接器、PCB板），这就会给系统整体性能带来很大的挑战。而通过提高配电电压，就可以在承载大功率的同时有效减少电流，优化整个系统的功耗、体积和成本。
48V配电系统的应用
新能源汽车（包括混合动力和纯电动汽车），应该是对48V配电系统最为期待的一个行业。传统的汽车是基于12V系统为车载电器供电，而随着汽车上电子设备的增加，这个低电压系统越发显得捉襟见肘，特别是在增加了电动启停功能之后，12V系统基本上就达到了性能的“极限”。
而未来汽车中，ADAS和自动驾驶等功能的引入，会在汽车中添加摄像头、毫米波雷达、激光雷达等更丰富的传感器，以及更高性能的计算处理单元——预计未来的车载计算机会消耗上千瓦电力——12V配电系统这匹“小马”确实很难再拉动新能源汽车这辆“大车”了。这时，48V配电系统也就成了一个重要的技术转变。
另一个对48V配电系统寄予厚望的领域是数据中心。在智能社会中，数据中心集中了越来越多的计算资源，承载着越来越重的计算任务，特别是机器学习等人工智能（AI）技术的应用，更使得计算工作量大幅增加，这就令高密度部署CPU、GPU、FPGA、ASIC等高性能处理单元成为数据中心的刚需。这意味着不论是单颗处理器，还是整体计算处理系统的功耗都会不断攀升。将服务器的配电系统从12V升级到48V，无疑是应对这一挑战最有效的方法之一。
2016年3月，Google发布了基于48V架构的CPU服务器；2018年3月，Nvidia也发布了其48V的GPU服务器和板卡——这两个标志性的事件算是吹响了高端服务器应用转向48V系统的号角。目前，许多全新的AI加速卡都会有48V输入，以支持AI处理器500W至750W的功率等级。
12V与48V系统的集成
不过，48V配电系统的前景虽然一片大好，但是实现这个目标也不是一蹴而就的。考虑到生态完善、存量巨大的12V系统和设备，在向48V迈进的过程中，如何在12V和48V系统之间做高效而可靠的桥接，将12V和48V系统集成在一起，是一个必须认真考虑的课题。
比如在汽车领域，虽然48V配电系统优势明显，但是在负载端12V的车载设备仍是主流，这就需要在48V配电总线和12V的负载点之间进行一级电压转换桥接。
图1：在轻度混合动力汽车中的48V/12V桥接应用
（图源：Vicor）
再来看数据中心，其面临的一个主要的应用场景就是，如何让12V的传统机架能够使用48V的高性能（也是高功率）AI加速板卡。这时就需要在两者之间来一次12V至48V的桥接，以便将先进AI功能添加到老式机架系统中。当然，对于已经升级至48V系统的数据中心，也有支持原有12V负载的需求，这需要48V至12V的桥接来完成。
图2：在数据中心服务器中的12V/48V桥接应用
（图源：Vicor）
12V / 48V桥接方案的选择
在12V / 48V桥接技术方案的选择上，固定比率转换器是一个非常合适的架构。
固定比率转换器是一种输出电压与输入电压比为固定分数的DC-DC转换器，输入至输出电压范围由器件的“匝数比（也称为K因数）”来定义。这种架构决定了固定比率转换器有一个特点，就是能够进行双向功率及电压转换。如下图所示，这个固定比率转换器既可以作为K=1/12的降压转换器来使用，也可以支持K=12/1的升压转换操作。这种双向桥接的特点，给设计带来了很大的灵活性。
图3：固定比率转换器架构
（图源：Vicor）
另一方面，固定比率转换器是不带稳压器的，因此其可以实现很高的效率，由此带来的更高的功率密度和更低的功耗，可为系统的热管理提供极大的便利。而负载点的稳压功能，则可以由下游的DC-DC稳压器来完成，这样的系统架构，有利于实现更优的性能及系统成本。
再有，根据不同的设计要求，固定比率转换器可以扩展出不同的产品组合。比如在高电压配电系统中，可以选择具有隔离功能的固定比率转换器；而在48V这种适应SELV环境的安全低电压系统中，则可使用非隔离的器件。
总之，高密度、高效率和灵活的架构等优势，使得固定比率转换器成为12V / 48V桥接理想的解决方案。
高效率、小型化解决方案
Vicor公司的NBM2317就是一款支持在配电系统中高效实现12V与48V桥接的总线转换器，可以提供800W的持续功率，并支持1kW的峰值功率，效率高达97.9%！
图4：NBM2317总线转换器
（图源：Vicor）
NBM2317支持双向的电压转换，两个方向均提供效率相同的处理能力：在降压工作模式下K=1/4，额定输出电流连续状态下60A，瞬态达100A（最长2ms）；在升压模式下K=4/1，额定输出电流连续状态下15A，瞬态达25A（最长2ms）。NBM2317还可轻松并联，以获得更高的功率级。
该总线转化器采用23mm x 17mm x 7mm的表面贴装封装，外形紧凑，可实现高达4.5kW/in3的功率密度。同时，其所需的外部组件极少，也为整个电源系统的“瘦身”提供了便利。
NBM2317的其他优势特性还包括：开关频率为1.7MHz，噪声低，瞬态响应速度快，可双向启动和稳态运行等，可以说是实现高效率、大密度、小型化12V / 48V总线桥接转换的理想之选。
图5：NBM2317典型降压应用框图
（图源：Vicor）
图6：NBM2317典型升压应用框图
（图源：Vicor）
最后的话
对于更高性能、更丰富功能的追求，在推动电子系统中的PDN配电网络向更高的电压升级。在这个过程中，如何能够提供一个兼顾大功率、高效率、小型化、低成本的解决方案，是很多电源工程师梦寐以求的目标。
将固定比率转换器作为实现更高性能PDN的解决方案，可以在整体系统性能方面获得显著优势，并获得更大的设计灵活性。作为固定比率转换器中的优秀“作品”，Vicor的非隔离总线转换器NBM2317可以在传统的12V和新一代48V电源系统之间实现双向的桥接转换，进而打造一个高功率密度，且极具成本优势的模块化分布式供电架构。
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