48V電源對於系統層級應用的關聯性、利益與基本要素

作者：ADI 應用開發工程師 Christian Cruz


摘要

在持續變遷的科技世界中，各界對於可靠、高效率電源解決方案的需求持續攀升。48V 電源電壓是近幾年獲得大量關注的一種電壓位準。雖然48V 乍看之下並非創新技術，但其本身不僅具備數不清的益處，而且在系統層級、工業、汽車、通訊等應用已扮演重要角色。本文將透過現實世界的例子與展示，進一步深入探討48V 電源電壓的各種優勢。

介紹

48V 電源電壓由於其多元化用途以及和現有基礎設施的相容性，因此在各種應用中扮演著關鍵的角色。長久以來，電力輸送系統高度依賴標準的12V 或24V 電壓。然而，現代設備與電子產品持續升高的電源需求，加上業界對更具效率的系統與更高的能源經濟性的期待，促使各界紛紛採用如48V 這類更高的電源電壓。

資料中心極度渴求節能型解決方案 – 像是功率密度極高的大型超級電腦。48V 電源電壓是傳輸效率與轉換損耗之間一種具吸引力的折衷方案，升高電壓不僅能降低電力傳輸損耗，還能降低整體能源消耗。

此外48V 電源電壓亦能助益汽車產業，尤其是電動車(EV)。隨著電動車加入各種先進功能與電力驅動的子系統，業界也更加渴望更省電的解決方案。48V 架構不僅能提升在電能回充煞車時的能源恢復，並使廠商更容易整合各種高功率零組件，像是電動轉向系統以及先進駕駛輔助系統。


48V 電源電壓的益處

採用48V 電源電壓的益處，可從提升效率一直涵蓋到更好的設計選項。以下即列出一些主要重點:

  • 減低 I2R 損耗

    • 降低電源傳遞系統中的損耗 (I2損耗) 對效率有重大的影響。相較於電壓更低的系統，在一定的功率水平下48V 電源電壓的系統其電流會比較低。因此，傳輸過程中的 I2R 損耗會降低，進而促成更高的整體系統效率。
  • 提升功率密度

    • 相較於較低電壓的系統，48V 電源電壓允許使用較小的導體與元件來進行相同的電力傳輸。這也相對應地提高功率密度，並允許更精巧的設計，尤其是在空間有限的應用。
  • 增強型電壓調節

    • 更高的電壓位準在定義上提供更高的電壓調節能力，在對波動敏感的應用中，這項特性十分重要。工業自動化與通訊系統為維持可靠的運作，通常會要求穩定且妥善調節的電壓位準。
  • 設計彈性

    • 48V 電源電壓開創出許多額外的設計選項。其允許整合眾多具有不同電壓需求的子系統。包括馬達、感測器、通訊介面等都能並存於同一系統之中。
  • 相容於再生能源

    • 48V 電源電壓在像是太陽能套件等再生能源系統中能和太陽能光電板的電壓輸出完善匹配。這種互通性使其能將各種再生能源電源整合到現有的電力系統中。

48V 電源電壓建置的關鍵要素

在充分發揮48V 電源電壓效益的建置過程中，必須考量許多層面的因素。以下我們從系統層級、產業、以及通訊應用等角度來檢視這些基礎要素。

高效率電壓轉換

儘管48V 越來越受歡迎，但並非所有裝置與元件都會直接處理這個電壓位準。許多電壓轉換方法相當有效率，如直流對直流轉換器，其能為需要較低電源電壓的子系統調降電壓。參見圖1所示。

Figure 1. Efficient voltage conversion within a system.

圖1. 系統中的高效率電壓轉換1

熱管理

圖2中電池備援單元(BBU)模組中更高的電壓位準，以及1/4磚型組件參考設計方案的方法都可能產生更多的熱。各種熱管理方法，像是散熱片、散熱風扇、以及熱設計考量等，對於48V 零組件的長壽性與可靠性非常重要。

Figure 2. ADI-BBU module<sup>2</sup> and quarter brick reference design.

圖2. ADI-BBU 模組2與1/4磚型規格組件參考設計方案.

安全措施

在每個電子系統中，安全都是最關鍵的要素。雖然48V 並非特別高的電壓，但仍需要適當的安全防範措施，像是電路保護、隔離屏障、以及接地等，藉以防範和電擊穿有關聯的風險。隔離屏障的一個例子就是電氣隔離，如圖3所示，用來隔離48V 與12V 的系統應用。ADM2561E用於BBU模組 Modbus® 通訊方法，在BBU模組與BBU模組架(shelf)之間建立隔離式通訊機制。

Figure 3. Galvanic Isolation between 48 V to 12 V in a mild hybrid EV.

圖3. 輕油電混合動力車中48V 與12V 之間的電氣隔離3

通訊協定

在現代工業與通訊應用中，互通性十分重要。建置標準化通訊協定除了在以48V 電壓工作的子系統之間確保流暢的數據交換，還能提升整體系統效率。Open Compute Project (OCP)正引領業界持續採納新型的資料中心架構。該組織為48V 系統的電源整流器、BBU、網路、儲存、以及伺服器提供一個完整的架構設計。請參見圖4所示。

Figure 4. Open Compute Project Open Rack V3 architecture.

圖4. 開放運算計畫 Open Rack V3 版架構.4

監視與控制

為了確保尖峰系統效能，持續即時監視電壓位準、電流、以及溫度有其必要性。另一方面，採用智慧型控制系統，則能主動管理這些因素。藉由無縫協調各種即時調節因素，這些系統不僅能預測故障，還能為預防性診斷鋪路，進而將系統效率與可靠性提升至前所未有的水平。

現實世界應用

48V 電源電壓廣泛用在各種領域與技術。以下我們來看一些現實世界例子以及其所展現的重大影響:

電信電源系統

電信網路是現代社會的一項里程碑，其運行依賴於持續與可靠的電源供應。48V 架構在這個領域成為可靠性與效率的里程碑，並顛覆了電信電源系統的面貌。如圖5所示，這些系統負責提供全球通訊功能，因此需要適合的電源基礎設施能承受各種地區性供電波動與意外的停電。

Figure 5. Telecom –48 V distribution system.

圖5. 電信–48 V 輸電系統5

然而48V 架構真正的長處，在於其能克服各種地理性限制。在傳統供電基礎設施付之闕如或受損的偏遠地區或受災地區中，48V 架構依然不受影響。即使在嚴苛條件下仍能提供可靠的電源，成為通訊服務賴以維持運作的生命線。這種架構固有的耐用性，能確保與外界隔絕的民眾在最需要的時候仍能保持與對外的聯絡，在急難時提供關鍵的通訊服務，以及藉由增加聯繫來促進鄉村地區的發展。

電動驅動在工業自動化的角色

精準與效率在工業自動化領域非常重要。在這個持續演進的領域中，48V 電源電壓特別搶眼，並帶動各種關鍵元件迅猛發展，包括電動馬達、輸送帶、以及機械手臂等。這個電壓位準作為功率密度與控制的基礎，除了能協調各方無縫運作，還能降低能源損耗，將工業自動化的效能推升至前所未有的水準。

混合電源系統

在鄉間以及沒有電網的地區，要連接傳統輸電網有其難度，在這些地區引進混合電源系統將能顛覆取用能源的方式。這些尖端系統能無縫匯流各種再生能源，包括太陽能板連接現代儲能櫃，藉以提供可靠且永續的能源解決方案。在這種情境中，48V 電源電壓與太陽能板輸出電源的相容性十分重要，足以消弭太陽能板的供電與各種應用用電需求之間的落差。

48 V電源電壓和太陽能板產生的電壓範圍完美同步，並允許高效率的能源轉換與輸送。如此的相容性消除了對高壓轉換器的需求，而此類轉換器同時也是能源損耗、缺乏效率、以及成本增加的主要來源。48V 架構藉由精準匹配太陽能板的輸出，藉此大幅提高能源採集的成效，讓太陽能產生的電力能直接轉換給系統，而過程中的損耗會減至最低程度。

此外，48V 電源電壓與太陽能板輸出之間的匹配，突顯了混合電源系統零組件的成本效率。簡化的電壓轉換流程，消弭了對精密且昂貴元件的需求，造就出較低的安裝與維護成本。如此的成本撙節代表脫離電網社區與企業的一項重大轉變，並使得再生能源變得更加可及且在經濟上確實可行。

電動車

圖6顯示在電動車中採用48V 的設計，此種策略帶來多不勝數的益處。這種電壓架構十分重要，有助改善車內各子系統之間的電力輸送。除了在電力輸送扮演的角色，48V 架構並提供利用各種新穎功能的管道，包括像電能回充煞車，在煞車作動時進行能源回收。此外，其整合設計亦促成了各種對乘員舒適與娛樂十分重要的輔助系統，其中包括先進HVAC(加熱/通風/空調)系統以及尖端多媒體套件。48V 架構為電動車設計促成這種完備的方法，不僅提升能源的經濟性，亦優化電力使用、資源管理、以及車艙內便利設施，進而增進整體的駕駛體驗。

Figure 6. A 48 V mild hybrid EV.

圖6. 48V 的輕油電混合動力車6

儘管在系統層級應用中採用48V 電源電壓有許多益處，但我們仍然必須瞭解這種系統的一些潛在缺點。


需要考量的缺點:

元件相容性與可得性

要轉換至48V 電源電壓，需要詳盡評估現有的系統組件。某些元件可能需要更換或調整才能進行電壓的轉換。然而，其中一項潛在問題是能相容於額定電壓規範的元件數量過於稀少。此種狀況可能導致採購成本升高，系統的流暢整合過程可能出現延遲，進而突顯出策略規劃與尋覓供應商的重要性。如圖7所示。

Figure 7. Capacitance reduction of electrolytic capacitors caused by a dried-up electrolyte.

圖7. 因電解質乾涸導致電解電容器的電容下降7

設計複雜性

納入48V 電源電壓後，經常會開啟一段設計複雜性增加的時期。建置階段通常會經歷各種複雜的設計問題，像是精準電壓調節、徹底的熱管理策略、以及穩健安全標準等。此種增加的複雜性可能會延長開發週期，並增加對各種細部技術能力的需求，突顯出需要做好充分準備與擁有專精技能的設計團隊，才能有效率地克服這些複雜性。

更高的電壓相關風險

儘管48V 並非極高的電壓，但其仍然會衍生許多潛在的安全議題，尤其是在沒有充分實施基礎的安全防範措施的情況。提高電壓位準可能會提高觸電與其他事故的風險，因此需要實施嚴格的安全預防措施

增加轉換損耗

當需要進行電壓轉換來為如感測器或低功耗裝置等需要較低電壓的元件供電時，進行額外的轉換階段就可能導致系統出現更大的能源損耗。而這也會讓採用48V 電源電壓所得到的電源效率提升被削減掉一定的幅度。

既有系統的採納受到侷限

在一些使用較低電壓的既有系統中，轉換至48V 電源電壓就必須進行實際的評估。這種轉變可能會面臨許多障礙，使得轉換變得不可行或是成本過於高昂。翻新現有基礎設施，進而順利支援48V 標準會是複雜且費時的任務，需要進行大幅的調整以及策略規劃，以確保相容性和最佳化的效能。

尺寸與空間的限制

雖然48V 能使系統降至較低的電流從而促成更高的功率密度，但對於一些面臨嚴苛尺寸與空間限制的應用可能就不適合採用48V 。額外的絕緣與安全防範措施，可能需要用到更大尺寸的元件。請參見圖8所示。

Figure 8. Capacitor output side circuit mounting consideration.

圖8. 監視電容輸出側電路的考量因素8

增加電磁干擾 (EMI)

升高的電壓位準也會形成增加電磁干擾(EMI)的嚴重問題。這種干擾會影響專屬元件與複雜通訊網路的流暢運作。因此就需要用到額外的屏蔽與嚴格的濾波技巧才能有效對抗與抵銷電磁干擾的負面效應，進而確保關鍵系統的穩定效能。

擴充的挑戰

雖然在許多應用中，48V 是一項合理的選擇，但其並不是在所有情況中的最佳擴充選項。在某些應用中(尤其是需要更高功率的情況)，可能需要用到其他電壓設計才能滿足各種規範要求。

成本考量

採用48V 電壓，需要慎密考量各項前期成本，包括如元件替換、系統開發的協調、以及實行關鍵的安全措施。這些初期費用可能會對整體專案預算造成明顯影響，專案的預算高低取決於個別應用以及要支援的產業而定。在面對這些潛在費時，明智地調配資源，則是順利整合與最終成功的關鍵要素。

總結

48V 電源電壓已從利基選項轉變成系統層級、工業、以及通訊等應用的關鍵元件。其重要性源自於各界對於節能解決方案持續攀升的需求，以及各方面的進步，其中包括增加效率、功率密度、以及設計彈性。然而，高效的電力轉換、嚴格的熱管理、穩健的安全防範措施、標準化通訊協定、以及精密的監視與控制系統等都是成功應用的必要條件。隨著技術環境不斷演進，48V 電源電壓依然是促成各領域創新的關鍵要素，並將藉此開創出由效率與可靠性所造就的未來。

此外，設計師或應用工程師在檢視於系統層級應用中採用48V 電源電壓則會發現利益相當可觀－然而，也應同時注意各種潛在的缺點。要在特定應用中採用這個電壓位準需根據詳盡訊息做出決策，此時就須考量元件的相容性、設計複雜度、安全防範措施、能源轉換損耗、以及相關成本等因素。

參考資料

1 Brad Xiao and Nazzareno “Reno” Rossetti. “Handling the 48-to-12-V Stepdown.” Power Electronics Tips, February 2021.

2 Christian Cruz, Gary Sapia, and Marvin Neil Cabueñas. “Smart Battery Backup for Uninterrupted Energy Part 1: Electrical and Mechanical Design.” Analog Dialogue, Vol. 57, No. 4, December 2023.

3 Anant Kamath. “Simplify Isolated CAN, Power Interfaces for HEV 48-V Systems.” Electronic Design, April 2019.

4 Glenn Charest, Steve Mills, and Loren Vorreiter. “Open Rack V3 Base Specification.” Open Compute Project, September 2022.

5 “Power Supplies for Telecom Systems.” Analog Devices, Inc., July 2002.

6 “48V Buck Converter Helps MHEVs Meet Fuel Emission Standards.” Analog Devices, Inc., March 2020.

7 “Is It Essential to a Data Center? The Reasons Why a 48 V Power Supply Is Required and the Challenges of Power Supply Design.” Panasonic Industry, August 2021.