作者：Greg Green，汽车市场营销总监

仅需更换两个组件，即可将 DC-DC 转换器输出从 12V 切换为 48V

支撑汽车行业数十年的传统 12V 架构，如今已难以应对汽车系统中日益增长的电子负载。

现代汽车依赖于高性能的 ADAS 计算机、多传感器感知系统、电动底盘、区域控制器以及大功率发热负载。这些功能虽然使汽车更智能、更安全，但也极大增加了电源设计人员的工作复杂性。这些功能对功率密度提出了更高要求，并带来了难以在 12V 母线上管理的 I²R 损耗。因此，整个行业的汽车制造商都准备全面过渡到 48V 架构，将其作为新的 SELV 域。

然而，向 48V 转换并非易事。汽车制造商需要考虑与现有 12V 负载的兼容性，同时还要满足更高系统电压下的新安全要求。每一次架构过渡还意味着需要进行重新认证、PCB 重新设计和热性能的重新验证。

综上所述，工程师希望找到一条向 48V 过渡的路径，避免从头开始重建每一级电源。模块化电源转换架构提供了最实用的方法，因为它支持快速扩展、灵活重新配置，并能在多个车辆平台间复用认证结果。

为什么传统方案越来越难以为继?

传统的分立式转换器设计依赖于由 MOSFET、磁性元件、驱动器和控制 IC 组成的大型组件阵列。这种方法虽然可行，但当设计目标发生变化、需要重新设计时，整个过程变得非常繁琐。每次需求发生变化时，设计团队几乎都必须重新设计 PCB 布局，因为组件排布、回路几何结构以及热路径很难跨版本复用。

例如，为了实现 95%–97% 的效率，分立式转换器往往需要体积庞大的拓扑结构以维持热设计裕量。这些设计通常依赖厚重的散热器或液冷回路，一旦需求发生变化，就必须重新设计 PCB，并重新考虑热设计和进行新的验证。

当转换器直接由 800V 牵引电池供电时，这些挑战会进一步加剧。更高的系统电压会增加爬电距离和电气间隙要求，而这会增加 PCB 尺寸，并要求使用更昂贵的绝缘材料。此外，EMI 性能也更难以控制，因为与大板面积和大量组件相关的寄生参数会在每次更新时叠加，使情况更为复杂。即使电源架构在初始阶段表现良好，但随着需求增长，其维护会变得越来越困难。

认证流程带来额外限制。一个典型的高压转 48V 分立式转换器可能包含 200 多个组件，而每个器件都需要供应链管控和 PPAP 文件。当汽车制造商更新平台或增加新的 ADAS 或底盘负载时，工程师必须对整个转换器进行重新认证。

当供电网络（PDN）的演进速度超过工程师重新设计转换器硬件的速度时，分立式设计便成为瓶颈。

可提高系统可扩展性与灵活性的模块化设计

模块化电源架构彻底改变了这一局面。设计团队无需为每个新应用重新设计转换器，而是通过组合可互操作的模块来实现系统构建。

这种模块化方法以紧凑、高功率密度的构建模块取代大型转换器阵列，将开关、磁性元件与控制集成到一个经过热优化的模块中（见图 1）。每个模块都是一个电气特性可预测的成熟单元。一旦设计人员认证了一个模块，他们就可以在未来的项目中重复使用它，而无需重复验证。也就是说，只需认证模块本身，而不必对其内部的所有组件逐一进行认证。因此，模块可以简化合规流程，并缩短工程团队针对新负载设计电源系统的时间。

在系统层面，模块化设计使 PDN 更加灵活。工程师可以通过串联或并联模块来改变功率等级，而无需修改电路板布局。而且这种方法同时支持集中式和区域式两种电源架构。例如，一个原本在中央电源盒中实现高压转 48V 的转换器，经过极少的设计修改，就可以部署到电池壳体内或区域节点中。以前需要为 ADAS 计算机和分布式执行器集群创建独特设计的工程师，现在可以复用一套通用的模块。 

高压转 SELV 的挑战

在高压转 SELV 的阶段，分立式方案的局限性最为明显。从牵引电池到 SELV 的转换步骤给转换器带来了最大的电气和机械应力，并放大了布局、寄生参数控制或热设计方面的任何不足。工程师必须同时应对高 dV/dt 边沿、严格的爬电距离与电气间隙要求，以及随组件数量增加而加剧的 EMI 敏感性。

随着 SELV 负载动态性的增强，这些限制变得更加突出。主动悬架执行器和 ADAS 计算电源轨会产生快速电流变化，要求转换器在不出现压降、过冲或延迟的情况下稳定响应。分立式转换器难以满足这些需求，因为它们的瞬态响应取决于大功率级的布局以及众多分立式组件的相互作用。

现代固定比率谐振拓扑通过在紧凑的封装内提供高效率与快速瞬态响应解决了这个问题。凭借软开关和低寄生结构，它们可以降低开关损耗，改善 EMI 控制，并在动态负载条件下提供稳定的性能。例如，BCM6135 固定比率转换器可在 800V 和 48V 之间进行双向转换，效率接近 99%，瞬态电流变化率（di/dt）达 8MA/s。

随着模块化转换器达到这种瞬态性能水平，它们开始以一种过去所需要 SELV 母线上专用储能的方式支持动态负载（图 2）。由于转换器充当快速负载的直接电流源，该架构不再依赖于传统的缓冲器或辅助电池。“虚拟电池”的概念显著减轻了了电动汽车系统的重量，降低了成本和复杂性。

集中式与区域式供电网络

从 12V 集中式电源架构向 48V 区域电源架构过渡，将带来新的电气与机械挑战。

在集中电源架构中，一个中央模块负责将高压电池降压并通过粗线束分配 12V 电源。但随着车辆功能增多，12V 电流变得过大，线束也变得越发笨重和复杂。区域架构通过在整车内分配 48V 电源，并在负载点完成 48V 到 12V 的转换来解决这个问题。

在相同功率水平下，48V 电源轨可将系统电流降低至原来的四分之一。电流降低后，设计人员最多可将线束重量减轻 85%，并显著简化布线。这样，区域控制器就能够在本地为负载供电，而无需长距离大电流路径。电动防侧倾稳定系统或电子制动助力等高功率功能也更适合采用 48V 架构，因为它们损耗更低，产生的热量也更少。

在 48V 成为主流低压母线之前，12V 和 48V 负载将继续在同一平台内共存。在这一过渡阶段，模块化转换器能够灵活地同时支持两个电压域，而无需增加系统复杂度或重新设计。

下一代演示系统的核心：灵活性

为了展示模块化电源可实现的设计灵活性，Vicor 创建了 Paladin 参考平台。Paladin 是一个 4kW、800V 转 12V/48V 的演示平台，总体积仅 1.1 升，功率密度达 3.6 kW/L。该平台包括两个用于高压转 SELV 步骤的高压转换级，以及两个可互换的低压位置，可以兼容 PRM™ 稳压器或 DCM™ DC-DC 转换器。这些模块安装在具有通用机械接口的载板上，使工程师无需改动 PCB、外壳或认证文件即可重新配置输出。

高压转换器位于系统一侧，而 PRM 与 DCM 模块安装在载板组件中（见图 3）。这些载板可支持机械结构互不相同的模块，并为 PCB 提供一个统一接口。只需更改模块选择，设计人员即可生成稳压 12V 输出、稳压 48V 输出或混合电压轨配置。

从电气层面看，Paladin 是一个完整的供电网络概念验证系统。它支持双向运行、高瞬态性能以及紧凑的热设计。若采用分立式设计来支持同样的三种输出配置，则需设计三块完全不同的 PCB，并更换数百个组件。而 Paladin 只需一块电路板就能支持同样的三种配置，组件数量减少了 50%，并且每个输出轨只需更换一个组件即可改变输出电压。

希望构建量产系统的工程师可以将 Paladin 作为设计的起点。

让高压转 SELV 更快速、更轻松、更简单

向 48V 架构过渡可能带来许多复杂问题。然而，模块化方案能够降低设计难度，为工程师提供更轻松的路径，打造可扩展、紧凑且灵活的解决方案。像 Paladin 这样的系统实实在在地证明，模块化设计已准备好支持行业演进过程中的严苛要求。

模块化方法不仅能够缩小 DC-DC 转换器的尺寸，还能提供出色的灵活性，最多更换两个组件即可支持 12V 与 48V 电源。在设计面向未来的高压转 SELV 电源解决方案时，模块化方法是比分立式设计更为简单的替代方案。

Greg Green 现任 Vicor 公司汽车客户项目总监。他在汽车行业拥有超过 33 年的丰富经验，涉及 OEM 厂商和一级供应商的制造、设计工程和产品线管理。Greg 丰富的汽车产业经验包括制造、产品开发和业务开发等。Greg 先后毕业于密歇根大学和凯特林大学，分别获航空航天工程学士学位和制造管理硕士学位。

Greg Green，汽车市场营销总监