【導讀】將電能由電源傳輸到分布在電子係統中的各個負載，這個工作主要是由配電網絡（簡稱為PDN）來完成的。PDN一般由電纜
、彙流排、連接器、PCB中的銅箔電源層
、電源轉換器和穩壓器組成
，根據配電網絡的電壓通常被分為低電壓（LV）

、高電壓（HV）和超高電壓（UHV）三類。隨著負載點用電功率的提升，提高配電網絡電壓，成了一個大趨勢——以低電壓PDN為例，從傳統的12V向48V係統升級，一直是近年來電源工程師們努力的方向。

為什麼要提升配電網絡的電壓？這個原因很容易理解：係統負載功率增加後
，根據功率公式P=I*V，電dian壓ya不bu變bian而er想xiang要yao承cheng載zai更geng大da的de功gong率lv，就jiu需xu要yao增zeng加jia電dian流liu。而er電dian流liu的de增zeng加jia一yi方fang麵mian會hui使shi電dian能neng傳chuan輸shu過guo程cheng中zhong的de功gong率lv消xiao耗hao加jia大da，另ling一yi方fang麵mian也ye需xu要yao使shi用yong更geng大da尺chi寸cun的de組zu件jian（如電纜


、連接器、PCB板），這就會給係統整體性能帶來很大的挑戰。而通過提高配電電壓，就可以在承載大功率的同時有效減少電流，優化整個係統的功耗、體積和成本。

48V配電係統的應用

新能源汽車（包括混合動力和純電動汽車）
，應該是對48V配電係統最為期待的一個行業。傳統的汽車是基於12V係統為車載電器供電，而隨著汽車上電子設備的增加

，這個低電壓係統越發顯得捉襟見肘，特別是在增加了電動啟停功能之後，12V係統基本上就達到了性能的“極限”。

而未來汽車中，ADAS和自動駕駛等功能的引入，會在汽車中添加攝像頭、毫米波雷達、激光雷達等更豐富的傳感器，以及更高性能的計算處理單元——預計未來的車載計算機會消耗上千瓦電力——12V配電係統這匹“小馬”確實很難再拉動新能源汽車這輛“大車”了。這時，48V配電係統也就成了一個重要的技術轉變。

另一個對48V配pei電dian係xi統tong寄ji予yu厚hou望wang的de領ling域yu是shi數shu據ju中zhong心xin。在zai智zhi能neng社she會hui中zhong，數shu據ju中zhong心xin集ji中zhong了le越yue來lai越yue多duo的de計ji算suan資zi源yuan，承cheng載zai著zhe越yue來lai越yue重zhong的de計ji算suan任ren務wu，特te別bie是shi機ji器qi學xue習xi等deng人ren工gong智zhi能neng（AI）技術的應用，更使得計算工作量大幅增加，這就令高密度部署CPU、GPU、FPGA
、ASIC等deng高gao性xing能neng處chu理li單dan元yuan成cheng為wei數shu據ju中zhong心xin的de剛gang需xu。這zhe意yi味wei著zhe不bu論lun是shi單dan顆ke處chu理li器qi，還hai是shi整zheng體ti計ji算suan處chu理li係xi統tong的de功gong耗hao都dou會hui不bu斷duan攀pan升sheng。將jiang服fu務wu器qi的de配pei電dian係xi統tong從cong12V升級到48V，無疑是應對這一挑戰最有效的方法之一。

2016年3月，Google發布了基於48V架構的CPU服務器；2018年3月，Nvidia也發布了其48V的GPU服務器和板卡——這兩個標誌性的事件算是吹響了高端服務器應用轉向48V係統的號角。目前，許多全新的AI加速卡都會有48V輸入，以支持AI處理器500W至750W的功率等級。

12V與48V係統的集成

不過，48V配電係統的前景雖然一片大好，但是實現這個目標也不是一蹴而就的。考慮到生態完善、存量巨大的12V係統和設備，在向48V邁進的過程中，如何在12V和48V係統之間做高效而可靠的橋接，將12V和48V係統集成在一起，是一個必須認真考慮的課題。

比如在汽車領域，雖然48V配電係統優勢明顯
，但是在負載端12V的車載設備仍是主流，這就需要在48V配電總線和12V的負載點之間進行一級電壓轉換橋接。

圖1：在輕度混合動力汽車中的48V/12V橋接應用

（圖源：Vicor）

再來看數據中心，其麵臨的一個主要的應用場景就是，如何讓12V的傳統機架能夠使用48V的高性能（也是高功率）AI加速板卡。這時就需要在兩者之間來一次12V至48V的橋接，以便將先進AI功能添加到老式機架係統中。當然
，對於已經升級至48V係統的數據中心，也有支持原有12V負載的需求，這需要48V至12V的橋接來完成。

圖2：在數據中心服務器中的12V/48V橋接應用

（圖源：Vicor）

12V / 48V橋接方案的選擇

在12V / 48V橋接技術方案的選擇上，固定比率轉換器是一個非常合適的架構。

固定比率轉換器是一種輸出電壓與輸入電壓比為固定分數的DC-DC轉換器，輸入至輸出電壓範圍由器件的“匝數比（也稱為K因數）”來lai定ding義yi。這zhe種zhong架jia構gou決jue定ding了le固gu定ding比bi率lv轉zhuan換huan器qi有you一yi個ge特te點dian
，就jiu是shi能neng夠gou進jin行xing雙shuang向xiang功gong率lv及ji電dian壓ya轉zhuan換huan。如ru下xia圖tu所suo示shi

，這zhe個ge固gu定ding比bi率lv轉zhuan換huan器qi既ji可ke以yi作zuo為weiK=1/12的降壓轉換器來使用
，也可以支持K=12/1的升壓轉換操作。這種雙向橋接的特點
，給設計帶來了很大的靈活性。

圖3：固定比率轉換器架構

（圖源：Vicor）

另(ling)一(yi)方(fang)麵(mian)，固(gu)定(ding)比(bi)率(lv)轉(zhuan)換(huan)器(qi)是(shi)不(bu)帶(dai)穩(wen)壓(ya)器(qi)的(de)，因(yin)此(ci)其(qi)可(ke)以(yi)實(shi)現(xian)很(hen)高(gao)的(de)效(xiao)率(lv)，由(you)此(ci)帶(dai)來(lai)的(de)更(geng)高(gao)的(de)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)和(he)更(geng)低(di)的(de)功(gong)耗(hao)，可(ke)為(wei)係(xi)統(tong)的(de)熱(re)管(guan)理(li)提(ti)供(gong)極(ji)大(da)的(de)便(bian)利(li)。而(er)負(fu)載(zai)點(dian)的(de)穩(wen)壓(ya)功(gong)能(neng)，則(ze)可(ke)以(yi)由(you)下(xia)遊(you)的(de)DC-DC穩壓器來完成，這樣的係統架構，有利於實現更優的性能及係統成本。

再(zai)有(you)，根(gen)據(ju)不(bu)同(tong)的(de)設(she)計(ji)要(yao)求(qiu)，固(gu)定(ding)比(bi)率(lv)轉(zhuan)換(huan)器(qi)可(ke)以(yi)擴(kuo)展(zhan)出(chu)不(bu)同(tong)的(de)產(chan)品(pin)組(zu)合(he)。比(bi)如(ru)在(zai)高(gao)電(dian)壓(ya)配(pei)電(dian)係(xi)統(tong)中(zhong)
，可(ke)以(yi)選(xuan)擇(ze)具(ju)有(you)隔(ge)離(li)功(gong)能(neng)的(de)固(gu)定(ding)比(bi)率(lv)轉(zhuan)換(huan)器(qi)；而在48V這種適應SELV環境的安全低電壓係統中，則可使用非隔離的器件。

總之
，高密度、高效率和靈活的架構等優勢，使得固定比率轉換器成為12V / 48V橋接理想的解決方案。

高效率


、小型化解決方案

Vicor公司的NBM2317就是一款支持在配電係統中高效實現12V與48V橋接的總線轉換器，可以提供800W的持續功率
，並支持1kW的峰值功率
，效率高達97.9%！

圖4：NBM2317總線轉換器

（圖源：Vicor）

NBM2317支持雙向的電壓轉換，兩個方向均提供效率相同的處理能力：在降壓工作模式下K=1/4，額定輸出電流連續狀態下60A，瞬態達100A（最長2ms）
；在升壓模式下K=4/1，額定輸出電流連續狀態下15A，瞬態達25A（最長2ms）。NBM2317還可輕鬆並聯，以獲得更高的功率級。

該總線轉化器采用23mm x 17mm x 7mm的表麵貼裝封裝，外形緊湊

，可實現高達4.5kW/in3的功率密度。同時，其所需的外部組件極少

，也為整個電源係統的“瘦身”提供了便利。

NBM2317的其他優勢特性還包括：開關頻率為1.7MHz
，噪聲低
，瞬態響應速度快，可雙向啟動和穩態運行等，可以說是實現高效率、大密度、小型化12V / 48V總線橋接轉換的理想之選。

圖5：NBM2317典型降壓應用框圖

（圖源：Vicor）

圖6：NBM2317典型升壓應用框圖

（圖源：Vicor）

最後的話

對於更高性能、更豐富功能的追求，在推動電子係統中的PDN配電網絡向更高的電壓升級。在這個過程中，如何能夠提供一個兼顧大功率、高效率
、小型化、低成本的解決方案，是很多電源工程師夢寐以求的目標。

將固定比率轉換器作為實現更高性能PDN的解決方案，可以在整體係統性能方麵獲得顯著優勢，並獲得更大的設計靈活性。作為固定比率轉換器中的優秀“作品”

，Vicor的非隔離總線轉換器NBM2317可以在傳統的12V和新一代48V電源係統之間實現雙向的橋接轉換，進而打造一個高功率密度
，且極具成本優勢的模塊化分布式供電架構。

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