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為什麼電源設計轉用 48V?
 

【作者: 陳曆忠】   2018年02月05日 星期一

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因應多功能設計使用48V逐漸提升的需求、降低總體擁有成本 (TCO),以及滿足各領域應用日益增加的電力需求。目前電源設計的應用會透過下列途徑提高效能:


‧ 增強處理能力


‧ 提高通訊速率


‧ 延長運行時間


‧ 增添擴充設備


‧ 增大扭力


‧ 增大LED亮度


為了實現「更多功能」需要提供更多電源,而運用更多的電源一般會受到尺寸和/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。


為什麼使用 48V?

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。例如48V 配電方案與12V 配電方案相比,能夠將功耗大幅降低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。今日,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。


電話是始祖…


圖1
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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。和預想的一樣,通訊產業以48V為標準,如今仍然使用 48V 電壓。


為什麼?它更高效,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。


何為新 48V?安全嗎?


圖2
圖2

許多人把在通訊領域外使用 48V 看著「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 目前主要用於哪些領域?

據報導,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。一天中總會看到/使用幾種48V應用;48V 就是新的12V。


資料中心大規模採用「新48V」

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,提供更高處理器的電源給使用傳統12V供電並維持一定的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。


以Vicor的資料中心48V解決方案為例。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塊(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)的電壓變壓模塊(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,從而極大?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,具有高功率密度,Intel實驗室的測試顯示,其雜訊



圖3 :  48V直接到CPU
圖3 : 48V直接到CPU

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?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等高效能運算場合。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。


Google 採用 48V

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


在宣佈最新綠色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。今年的綠能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年來一直呈現指數級成長。


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。今日,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螢幕,其可降低運輸與安裝難度。


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


電動工具急需更大的扭力


圖4
圖4

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,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。同樣的,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。


帶動汽車使用 48V


圖5
圖5

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。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 方案為目前最高效率的替代方案。


為機器人及工業設備供電


圖6
圖6

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。


48V就是新12V

如果需要更大功率,請考慮48V配電。工程師發現只採用12V配電增加功率導致的損耗正約束著他們的系統。與12V系統相比,今日的增強型48V轉換器/穩壓器可實現高效率、低成本和小尺寸/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,無需先穩壓至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,這些技術包括:


‧ 零電壓切換等高效率開關拓撲結構


‧ 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 Vicor 的線上選擇/設計工具,縮短設計階段,並確保解決方案的效益。(本文作者陳曆忠為Vicor China市場拓展經理)


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