作者：Philip Simpson，高级现场应用工程师

1.    在第一级转换阶段实现最高效率

高压（HV）至 48V 供电网络（PDN）设计中的一个重要环节，是提供符合安全法规要求的隔离。

第一级转换通常无需稳压，这为采用先进的拓扑结构创造了条件，特别是固定比率正弦振幅转换（SAC™）。固定比率 SAC 母线转换器采用谐振电路架构，可最大限度降低变压器的漏电感，从而最有效地提升转换效率。此外，零电压和零电流软开关技术能够最大限度减少与开关动作相关的损耗，进一步提升效率。SAC 母线转换器具备强大的（通常超过 4000V）电隔离、双向转换能力以及极高的瞬态响应性能。目前已有小型模块化封装的 800V 和 400V 固定比率 SAC 母线转换器，可完全满足爬电距离和电气间隙的标准要求。

2.     降低敏感负载附近的噪声干扰

随着电源系统变得日益紧凑，采用低开关噪声的转换器拓扑来保护对噪声敏感的负载变得愈发重要。采用较高开关频率的转换器会将转换过程中产生的噪声分量移至更高频段，使其更易于被滤波器抑制，从而减轻对敏感负载的干扰。零电压开关（ZVS）和零电流开关（ZCS）等软 MOSFET 开关技术产生的 EMI 噪声更少，因此能够最大限度地减少可能影响噪声敏感负载的干扰。

3.    提供精确稳压的 48V 母线

部分子系统和外设已转向原生 48V 运行，特别是那些功耗需求超出 12V 供电能力合理范围的设备。其中，部分子系统不需要精确稳压的 48V 供电轨，而另一些则确实需要精确的电源稳压。

当使用隔离式固定比率母线转换器将高压 DC 电压转换为 48V 时，由于该转换器通常不具备稳压输出功能，可能需要对 48V 母线进行稳压。若母线转换器由 400V 或 800V 电池供电，其输出电压会因电池的荷电状态、环境温度、电池老化程度以及负载特性不同而产生较大幅度的波动。例如，800V 电池的输出电压范围可能在 576V 至 832V 之间。如采用 K = 1/16 的母线转换器，这一输入电压范围对应的输出电压范围则为 36V 至 52V。

在这种情况下，采用 ZVS 升降压 DC-DC 转换器将大有助益。例如，一款典型的 800W ZVS 升降压转换器可提供宽输入电压范围（如 38V 至 60V，标称 48V），其标称 48V 输出电压可在 30V 至 54V 范围内调节。此类 ZVS 升降压转换器的输出电压负载调整率约为 0.3%，满载时的典型转换效率可达 97.7%。该性能水平足以满足要求严苛的 48V 负载的需求。

4.    确定电源稳压的最佳位置——上游还是下游？

48V 供电轨的稳压位置取决于系统设计。如果系统中没有“原生”48V 子系统，且所有负载均工作在 12V、5V、3.3V 或低于 1V 的电压下，则实际上无需对 48V 电源母线进行稳压。在此情况下，稳压可在向 12V 转换的“桥接”环节实现，或在通过降压稳压器将 48V 降至低压的负载点转换过程中完成。

对于 48V 转 12V 的桥接应用，宜采用稳压型非隔离式 DC-DC 转换器，其连续输出功率与峰值输出功率可根据负载需求进行适配。输入电压范围应足够宽，以适应 48V 母线上可能出现的任何波动。12V 的稳压精度取决于系统要求；ZVS 降压稳压器的典型输出电压负载调整率约为 0.1%。

对于 5V、3.3V、1.8V 以及低于 1V 的稳压型负载点处理器供电应用，将稳压功能与电流倍增功能分开设置往往更具优势。这种功能划分方式称为分比式电源架构（FPA™）。该架构先定义一个精密稳压级，其后紧跟一个电压变换级或电流倍增级，后者可在精确稳压的供电电压下提供大电流输出。电流倍增变换的“K 因子”决定输出电压，例如 K = 1/48 时可向负载提供 1V 输出电压，同时 48V 电源所提供的电流相应地被放大 48 倍。分比式电源架构允许稳压级与电流倍增级在物理布局上相互分离，从而有效缓解处理器周边组件的“拥塞”或“拥挤”问题。

5.    为大电流负载供电

为大电流负载供电时，一个重大挑战是尽量减少印刷电路板（PCB）上铜走线的传导损耗。针对大电流低压负载（如 AI 处理器）的供电需求，分比式电源架构（FPA™）是一种行之有效的解决方案。在该架构中，一个大功率稳压级将 54V 高效转换为 48V。该稳压级可部署于加速器 PCB 的外围区域，以避免与存储器、高速串行 I/O 等其他功能模块争夺布局空间。稳压级对 48V 电源实施精确稳压，因此下游无需再进行额外稳压。

采用 48V 作为中间母线电压可最大限度地降低传导损耗。电压变换级或电流倍增级可水平布置于处理器旁侧（横向供电），或理想情况下垂直布置于处理器正下方（垂直供电）。这种布局方式可最大程度缩短电流倍增器与处理器电源和接地连接之间的 PCB 铜走线长度，从而降低 PCB 阻抗及由此产生的电阻热损耗。电压变压模块与电流倍增模块均为固定比率转换器，可在不到 1V 的电压下提供数百安培的电流。FPA 方案能够满足最先进 CPU、GPU 及网络处理器的供电需求。

6.    在高压条件下实现足够安全的隔离

高压（800V 和 400V）供电系统应具备数千伏的电隔离能力。理想情况下，此类系统还应提供高达 100MΩ 的绝缘电阻，并留有充足的爬电距离和电气间隙，以满足 IEC 60664-1 等行业安全标准的要求。基于标准开关拓扑的分立式设计在实现高隔离等级方面存在固有局限，其原因包括组件间存在寄生电容、难以设计足够的爬电距离和电气间隙，以及在保持隔离屏障介电完整性的前提下难以实现高速开关的同步。

借助零电压开关和零电流开关技术，基于 SAC 拓扑的 DC-DC 转换器可实现极高的电压隔离等级。这些软开关技术能够降低 EMI，并最大限度减小隔离屏障上的电压应力，从而在不牺牲绝缘性能的前提下采用紧凑型磁性结构。因此，在分立组件方案往往难以胜任的高密度高压应用环境中，SAC 拓扑 DC-DC 转换器能够集成高隔离度变压器，并始终保持高效率。

7.    在电路板空间有限的情况下设计安全的爬电距离与电气间隙

当高压组件紧密排列于 PCB 上时，发生电弧（涉及电气间隙）和电痕化（涉及爬电距离）的风险随之上升。需要注意的是，电弧和电痕化受工作电压、污染等级、海拔高度、湿度、绝缘材料以及瞬态电压等多种因素影响。虽然灌封工艺可在一定程度上降低风险，但全模塑封装是更为有效的解决方案。选用高功率密度集成方案是更优选择，因为实现电源系统所需的全部组件均被封装于环氧树脂模塑外壳内，可以有效降低或消除电弧和电痕化风险。电源解决方案供应商必须依照 IEC 60664-1 和 62368-1 等标准进行爬电距离与电气间隙的合规性测试，这一点至关重要。

8.    提升开关器件的效率与可靠性

DC-DC 转换器的效率取决于转换拓扑与分区方式、MOSFET 开关频率以及其他多种因素。相比其他拓扑，采用零电压开关和零电流开关的转换器拓扑可实现更高的效率。分比式电源架构通过高效稳压第一级与电压变换/电流倍增第二级的组合，借助固定比率电流倍增器（其作用相当于理想的 DC-DC 转换器）实现了卓越的效率。较高的 MOSFET 开关频率可最大限度地减少电路寄生，从而提升转换效率。先进的封装技术结合低热阻以及用于散热片和冷板的上下共面结构，通过降低电源模块内部最高工作温度来提高可靠性（即延长平均无故障时间，MTTF）。

9.    保持高度紧凑且可有效散热的供电网络

显然，保持紧凑型 PDN 低温运行的最有效途径是采用高效率 DC-DC 转换器。除此之外，紧凑型电源系统不仅需要妥善处理各组件和模块自身的散热问题，还需应对密集排列的组件与模块之间的相互热影响。一般而言，对于功率较高（约 1kW 以上）的 PDN，必须采用风冷或液冷硬件。电源系统的功率密度（W/in³）越高，就越有必要采用主动式（风冷或液冷）散热系统，以确保高可靠性。具备高转换效率和低热阻封装的电源系统组件，对于采用更偏向被动式散热的方案尤为重要，特别是对于紧凑型 PDN 而言。

10.   实现高瞬态响应

多种电子和机电系统的一个共同特征，是对电源的高度瞬态或瞬时需求。例如，汽车中的 12V 和 48V 电池需要满足车内不同子系统（如 HVAC 电机）的瞬态电流需求。又如，多核数据中心 AI 处理器在算法负载变化时也会引起电流瞬态。在上述两种场景中，满足瞬态需求的最佳 PDN 解决方案，是采用正弦振幅转换（SAC™）拓扑的固定比率转换器。此类转换器开关频率高，能够以更高频率将能量传递至输出端，从而有效应对瞬态电流需求事件。同时，其输出 AC 阻抗低，有助于在瞬态事件期间维持输出电压稳定。采用 SAC 技术的转换器还具备电容倍增功能，即输入电容乘以变换比（K）的平方后，有效呈现于输出端，这一电容倍增效应可显著改善 PDN 的整体瞬态性能。

11.    适配传统的 12V 负载

大多数系统都包含 12V 负载，例如 12V DC 风扇。这些 12V 子系统通常经过多年生产已实现成本最优化，若替换为 48V 方案，在经济上可能并不划算。针对此类子系统，当需要稳压供电轨时，48V 转 12V DC-DC 转换器是理想之选；而当非稳压供电轨即可满足要求时，48V 转 12V 非隔离式母线转换器则更为合适。若上游 48V DC-DC 转换器能够提供稳压功能，则这种非隔离式母线转换器可为 12V 子系统提供稳压输出。

12.    确保 48V 供电网络可扩展且易于制作原型

各类电子系统的功耗需求通常会随着时间推移而增加。例如，在计算机系统中，可能需要增加内存或网络硬件。理想情况下，在不进行重大系统改造的前提下实现供电网络容量的按需扩展，将具有显著优势。这需要事先做好规划，但完全可以实现。

部分模块化 DC-DC 转换器支持阵列运行模式，即多个器件并联工作，使输出功率提升至两倍或四倍。理想情况下，通过简单的导线互连均流方案即可构成此类功率阵列。这种方案的优势在于：电路板可按照两个或四个并联器件进行布局，初期只需安装其中一个器件；后续若系统功耗需求增加，随时可增添一至三个（或更多）器件，并连接少量跳线，即可实现电源系统扩容，以满足新的系统功率需求。

这种简便的供电扩展方式不仅有助于对不同的设计方案进行快速评估和原型制作，也提高了在不同功率需求的系统间复用设计的机会。

在原型制作方面，模块化电源解决方案远比分立式方案更为便捷。它们结构紧凑，I/O 连接较少，所需外部组件极少。更重要的是，它们已根据行业及法规标准进行了预测试和预认证。当产品上市速度成为关键项目目标时，电源模块无疑具有极高的价值优势。

充分的前期准备可简化 48V 迁移过程，确保供电网络达到最佳性能

48V 系统电源的首次大规模应用可追溯至 100 多年前——当时处于起步阶段的电话行业便已认识到其在效率和传输距离方面的优势。近年来，开放计算项目（Open Compute Project）倡导在数据中心机架内采用 48V 供电方案。目前，部分电动汽车已开始使用 48V 系统电源。

从 12V PDN 向 48V PDN 的世代更替正在加速。系统迁移至 48V 已不再是“是否迁移”的问题，而是“何时迁移”的问题。汽车电气化的推进、人工智能计算的迅猛发展，以及高功率工业应用的涌现，正共同推动 48V 供电网络成为大势所趋。虽然电源工程师在 12V PDN 领域拥有数十年的经验和充分的信心，但在向更高容量的 48V PDN 迁移时，设计团队仍面临诸多挑战。数十年来，分立式系统在 12V 电源设计中一直行之有效，但面对不断演进的供电需求，其能力有时难以为继。在许多情况下，行业在架构、拓扑和封装等方面的持续创新，将在很大程度上降低下一代 48V 应用的实现难度。这些创新将进一步加速向 48V 的迁移，助力打造可扩展、高密度、面向未来的 PDN。

SAC™ 和 FPA™ 均为 Vicor 公司的注册商标。