48V 架構在汽車領域復興：推動效率與創新
前言：
作者：Aditya Ambardar，Diodes 公司切換電源業務部門經理
幾十年來，12V 電氣系統一直是汽車行業的堅定支柱。然而，一場無聲的變革正在醞釀中：人們對 48V 架構重新產生興趣，而且興趣越發濃厚，特別是在電動車蓬勃發展和汽車世界競相實現零排放目標的背景之下。大約二十年前，全球曾探索過 42V 架構，那時雖然沒有獲得重大關注，但如今 48V 系統有望重塑車輛設計，在效率、電力傳輸和降低成本方面提供巨大優勢。這種轉變不僅僅是漸進式升級，更是根本性變化，背後的推動力是現代車輛不斷增長的電力需求。
48V 系統引人注目的優勢
採用 48V 系統的主要動力，在於可以對混合動力車和電動車產生的深遠影響。一段時間以來，48V 系統在提高輕度混合動力電動車 （MHEV） 的效率方面發揮了重要作用，並且由於 MHEV、純電動車 （BEV） 和混合動力電動車 （HEV） 需要更高電流的電氣應用，48V 系統因此正在加速投入使用。
48V 系統最顯著的一個優勢，就是當典型 MHEV 整合的強力啟動發電機與48V 電池搭配使用時，能夠在煞車期間回收能量。回收的能量可用於提高汽車性能並顯著減少排放。此外， 48V 電源軌或電池驅動更高功率的加熱器和電機時，驅動效率更高。這種效率提升不只是理論上的，更是能給汽車設計和工作帶來實際好處。
48V 架構優越性的一個關鍵點是能對汽車線束產生影響。從 12V 系統轉變為 48V 系統，會大幅減少電流消耗。舉例來說，一個 800W 系統全力運作時，在 12V 架構下將消耗大約 67A 電流；而在 48V 架構下，消耗電流驟降至17A 左右，降幅約為四分之三。電流減少對功率損耗有深遠的影響。理論上，48V 系統的 I²R 損耗（即供電系統中由電阻引起的功率損耗）是 12V 系統的1/16。就電源效率而言，這是一個巨大優勢。
減少電流帶來的物理影響同樣重大。汽車中電力電纜或線束的尺寸大小取決於載流能力。電流減少四分之一，直接意味著可以使用更小的線規，從而大幅降低線束的成本和重量。這與汽車設計的另一個架構轉變不謀而合：區域架構概念。這種創新方法根據物理位置（而不是功能類別），對配電、通信和負載驅動進行分組。區域架構帶來的實際好處是佈線更少，並且更有效地利用空間。48V 電源軌的優勢與區域架構相結合，線規就會大幅減小，因此線束更輕、更具成本效益。這反過來也有助於減輕汽車的整體重量，並提高工作效率。
應對採用 48V 的挑戰
儘管上述優勢引人注目，但向 48V 系統轉變本身也存在挑戰。12V 系統已經普及了七十多年，這意味著全面轉向 MHEV 和 HEV、然後再轉向 48V，可能需要相當長的時間。12V 系統長期的佔據導地位，如果大規模採用 48V 系統，就需要重新設計大量元件，包括連接器和半導體器件，以便適應更高的電壓。還有一點需要注意的是：12V系統並不會完全消失;汽車內許多低功率系統將繼續使用 12V，因為這些系統可能無法從 48V 系統中獲得明顯好處。
48V 系統最關鍵的一個設計挑戰是管理瞬態電壓。從 12V 轉變成 48V ，本質上會增加瞬態事件的風險，因為電壓幅度會變大。因此，必須精心設計系統，安全處理電壓瞬變。其他設計考慮因素包括遵守爬電距離（Creepage）和電器間隙（Clearance）要求，這些要求規定了導電部件之間的最小距離，防止電氣擊穿。採用必要高壓元件的成本也是一個重要因素，這一點根據客戶需求而有所不同。例如，DC-DC 降壓轉換器和高側切換器等產品要選擇 60V 至 100V 的高耐壓元件。
另外一個普遍的問題是電磁干擾 （EMI），這在任何電氣系統都很中常見，但更高的電壓會讓問題更嚴重。EMI 會干擾電子元件正常運行，因此是一個重大的設計挑戰，需要充分處理。汽車應用中的 EMI 合規必須遵守 CISPR 25 標準，特別是 4 類和 5 類。
最後，熱管理也構成了相當大的挑戰。高壓轉換通常會導致輸入電壓和輸出電壓之間存在顯著差異，從而導致相對更大的功率損耗，從而增加熱耗散。緩解這個問題的通常做法，是使用較小電阻的半導體元件，並採用更有效散熱的功率封裝。製造商經常會向客戶提供有關佈局和其他設計建議，從而改善散熱並緩解這些挑戰。
推動 48V 創新
在不斷發展的汽車領域，像 Diodes這樣的公司在推動向 48V 架構轉型方面發揮關鍵作用。Diodes 全面的產品組合涵蓋整個“電源樹”，從電池連接點，一直到負載點 （PoL），其中系統單晶片 （SoC） 感測器等元件需要電源。
Diodes 公司為客戶提供專為 48V 和更高電壓架構定制的分離和類比產品，包括瞬態電壓抑制器 （TVS） 元件，可直接連接電池，從而保護系統。針對反向電壓保護 （RVP），即保護系統免受正負極端子意外不匹配的影響，Diodes 提供一系列 SBR 高效能整流器。另外，Diodes還提供理想二極管控制器 （IDC），例如 AP74700AQ 器件，與 80V 和 100V N 通道 MOSFET（DMTH8xxxQ 系列）搭配使用，可提供高度優化和極低損耗的 RVP 解決方案。
此外，Diodes 擁有強大的 DC-DC 轉換器產品組合，對於 48V 系統的電源管理至關重要。產品包括高壓 60V 和 100V DC-DC 轉換器，例如 AP66200Q 和 AP66300Q 器件，分別用作 3A 和 2A PoL 降壓轉換器。Diodes 還將陸續推出 AP6AxxxQ 系列，提供電流高達 3.5A 的 100V PoL 解決方案。對於需要更高電流的解決方案，Diodes 也正在推出高壓 DC-DC 控制器，與外部 MOSFET 搭配使用，可提供超過 50A 的電流。
為了方便客戶設計，Diodes 提供廣泛支援，包括新產品發布的補充資料和詳細資訊，例如評估板和理想設計佈局指南，幫助客戶優化設計。Diodes 還提供特殊的公版設計，包含符合 CISPR 25 Class 5 限制的 DC-DC 控制器和 IDC使用者指南。以 DDB103R3 參考設計為例，該設計具備對 ±60V 設備的保護措施，防止電池反向連接；還有 DC-DC 降壓轉換器，支持 60V 輸入和 3A 輸出。如此全面的支持旨在幫助客戶簡化 48V 和更高電壓架構的設計流程。
結論
在提高效率和減少排放的必要推動下，汽車產業正在經歷重大變革， 48V 架構的復興證明了這一點。透過縮小線束尺寸和與區域架構協同運作等創新措施，48V 架構在電源效率、減輕重量和節省成本方面帶來了實際好處。
雖然這一轉變也帶來了諸多挑戰，例如重新設計元氣建、瞬態電壓管理、EMI 和散熱考量，但業界在 Diodes 公司等領先元器件製造商的支持下，正在積極開發解決方案，力爭克服這些挑戰。隨著汽車朝著全電動和更高效方向持續發展，48V 系統經過證明是一項核心技術，為下一代汽車創新鋪平道路。
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