作者：Greg Green，汽車市場營銷總監

僅需更換兩個組件，即可將 DC-DC 轉換器輸出從 12V 切換為 48V

支撐汽車行業數十年的傳統 12V 架構，如今已難以應對汽車系統中日益增長的電子負載。

現代汽車依賴於高性能的 ADAS 電腦、多感測器感知系統、電動底盤、區域控制器以及大功率發熱負載。這些功能雖然使汽車更智慧、更安全，但也極大新增了電源設計人員的工作複雜性。這些功能對功率密度提出了更高要求，並帶來了難以在 12V 母線上管理的 I²R 損耗。因此，整個行業的汽車製造商都準備全面過渡到 48V 架構，將其作為新的 SELV 域。

然而，向 48V 轉換並非易事。 汽車製造商需要考慮與現有 12V 負載的兼容性，同時還要滿足更高系統電壓下的新安全要求。每一次架構過渡還意味著需要進行重新認證、PCB 重新設計和熱效能的重新驗證。

綜上所述，工程師希望找到一條向 48V 過渡的路徑，避免從頭開始重建每一級電源。模組化電源轉換架構提供了最實用的方法，因為它支持快速擴展、靈活重新配寘，並能在多個車輛平臺間複用認證結果。

為什麼傳統方案越來越難以為繼？

傳統的分立式轉換器設計依賴於由 MOSFET、磁性元件、驅動器和控制 IC 組成的大型組件陣列。 這種方法雖然可行，但當設計目標發生變化、需要重新設計時，整個過程變得非常繁瑣。每次需求發生變化時，設計團隊幾乎都必須重新設計 PCB 佈局，因為組件排布、回路幾何結構以及熱路徑很難跨版本複用。

例如，為了實現 95%–97% 的效率，分立式轉換器往往需要體積龐大的拓撲結構以維持熱設計裕量。 這些設計通常依賴厚重的散熱器或液冷回路，一旦需求發生變化，就必須重新設計 PCB，並重新考慮熱設計和進行新的驗證。

當轉換器直接由 800V 牽引電池供電時，這些挑戰會進一步加劇。 更高的系統電壓會新增爬電距離和電氣間隙要求，而這會新增 PCB 尺寸，並要求使用更昂貴的絕緣材料。 此外，EMI 效能也更難以控制，因為與大板面積和大量組件相關的寄生參數會在每次更新時疊加，使情况更為複雜。 即使電源架構在初始階段表現良好，但隨著需求增長，其維護會變得越來越困難。

認證流程帶來額外限制。 一個典型的高壓轉 48V 分立式轉換器可能包含 200 多個組件，而每個器件都需要供應鏈管控和 PPAP 檔案。 當汽車製造商更新平臺或新增新的 ADAS 或底盤負載時，工程師必須對整個轉換器進行重新認證。

當供電網路（PDN）的演進速度超過工程師重新設計轉換器硬體的速度時，分立式設計便成為瓶頸。

可提高系統可擴展性與靈活性的模組化設計

模組化電源架構徹底改變了這一局面。 設計團隊無需為每個新應用重新設計轉換器，而是通過組合可交互操作的模塊來實現系統構建。

這種模組化方法以緊湊、高功率密度的構建模組取代大型轉換器陣列，將開關、磁性元件與控制集成到一個經過熱優化的模組中（見圖1）。 每個模組都是一個電力特性可預測的成熟單元。 一旦設計人員認證了一個模組，他們就可以在未來的項目中重複使用它，而無需重複驗證。 也就是說，只需認證模組本身，而不必對其內部的所有組件逐一進行認證。 因此，模組可以簡化合規流程，並縮短工程團隊針對新負載設計電源系統的時間。

在系統層面，模組化設計使 PDN 更加靈活。 工程師可以通過串聯或並聯模組來改變功率等級，而無需修改電路板佈局。 而且這種方法同時支持集中式和區域式兩種電源架構。 例如，一個原本在中央電源盒中實現高壓轉 48V 的轉換器，經過極少的設計修改，就可以部署到電池殼體內或區域節點中。 以前需要為 ADAS 電腦和分佈式執行器集羣創建獨特設計的工程師，現在可以複用一套通用的模組。

高壓轉 SELV 的挑戰

在高壓轉 SELV 的階段，分立式方案的局限性最為明顯。 從牽引電池到 SELV 的轉換步驟給轉換器帶來了最大的電力和機械應力，並放大了佈局、寄生參數控制或熱設計方面的任何不足。工程師必須同時應對高 dV/dt 邊沿、嚴格的爬電距離與電氣間隙要求，以及隨組件數量新增而加劇的EMI敏感性。

隨著 SELV 負載動態性的增强，這些限制變得更加突出。主動懸架執行器和 ADAS 計算電源軌會產生快速電流變化，要求轉換器在不出現壓降、過沖或延遲的情况下穩定響應。分立式轉換器難以滿足這些需求，因為它們的瞬態回應取決於大功率級的佈局以及眾多分立式組件的相互作用。

現代固定比率諧振拓撲通過在緊湊的封裝內提供高效率與快速瞬態回應解决了這個問題。 憑藉軟開關和低寄生結構，它們可以降低開關損耗，改善 EMI 控制，並在動態負載條件下提供穩定的效能。 例如，BCM6135 固定比率轉換器可在 800V 和 48V 之間進行雙向轉換，效率接近 99%，瞬態電流變化率（di/dt）達 8MA/s。

隨著模組化轉換器達到這種瞬態效能水准，它們開始以一種過去所需要 SELV 母線上專用儲能的方式支持動態負載（圖2）。 由於轉換器充當快速負載的直接電流源，該架構不再依賴於傳統的緩衝器或輔助電池。 “虛擬電池”的概念顯著減輕了了電動汽車系統的重量，降低了成本和複雜性。

集中式與區域式供電網路

從 12V 集中式電源架構向 48V 區域電源架構過渡，將帶來新的電力與機械挑戰。

在集中電源架構中，一個中央模組負責將高壓電池降壓並通過粗線束分配 12V 電源。 但隨著車輛功能增多，12V 電流變得過大，線束也變得越發笨重和複雜。 區域架構通過在整車內分配 48V 電源，並在負載點完成 48V 到 12V 的轉換來解决這個問題。

在相同功率水准下，48V 電源軌可將系統電流降低至原來的四分之一。 電流降低後，設計人員最多可將線束重量減輕 85%，並顯著簡化佈線。這樣，區域控制器就能够在本地為負載供電，而無需長距離大電流路徑。 電動防側傾穩定系統或電子制動助力等高功率功能也更適合採用 48V 架構，因為它們損耗更低，產生的熱量也更少。

在 48V 成為主流低壓母線之前，12V 和 48V 負載將繼續在同一平臺內共存。 在這一過渡階段，模組化轉換器能够靈活地同時支持兩個電壓域，而無需新增系統複雜度或重新設計。

下一代演示系統的覈心：靈活性

為了展示模組化電源可實現的設計靈活性，Vicor 創建了 Paladin 參考平臺。 Paladin 是一個 4kW、800V 轉 12V/48V 的演示平臺，總體積僅 1.1 昇，功率密度達 3.6 kW/L。 該平臺包括兩個用於高壓轉 SELV 步驟的高壓轉換級，以及兩個可互換的低壓位置，可以兼容 PRM™ 穩壓器或 DCM™ DC-DC 轉換器。這些模組安裝在具有通用機械介面的載板上，使工程師無需改動 PCB、外殼或認證檔案即可重新配寘輸出。

高壓轉換器位於系統一側，而 PRM 與 DCM 模組安裝在載板組件中（見圖 3）。 這些載板可支持機械結構互不相同的模組，並為 PCB 提供一個統一介面。 只需更改模組選擇，設計人員即可生成穩壓 12V 輸出、穩壓 48V 輸出或混合電壓軌配寘。

從電力層面看，Paladin 是一個完整的供電網絡概念驗證系統。 它支持雙向運行、高瞬態效能以及緊湊的熱設計。 若採用分立式設計來支持同樣的三種輸出配寘，則需設計三塊完全不同的 PCB，並更換數百個組件。 而 Paladin 只需一塊電路板就能支持同樣的三種配寘，組件數量減少了 50%，並且每個輸出軌只需更換一個組件即可改變輸出電壓。

希望構建量產系統的工程師可以將 Paladin 作為設計的起點。

讓高壓轉SELV更快速、更輕鬆、更簡單

向 48V 架構過渡可能帶來許多複雜問題。 然而，模組化方案能够降低設計難度，為工程師提供更輕鬆的路徑，打造可擴展、緊湊且靈活的解決方案。 像 Paladin 這樣的系統實實在在地證明，模組化設計已準備好支持行業演進過程中的嚴苛要求。

模組化方法不僅能够縮小 DC-DC 轉換器的尺寸，還能提供出色的靈活性，最多更換兩個組件即可支持 12V 與 48V 電源。 在設計面向未來的高壓轉 SELV 電源解決方案時，模組化方法是比分立式設計更為簡單的替代方案。

Greg Green 現任 Vicor 公司汽車客戶項目總監。 他在汽車行業擁有超過 33 年的豐富經驗，涉及 OEM 廠商和一級供應商的製造、設計工程和產品線管理。Greg 豐富的汽車產業經驗包括製造、產品開發和業務開發等。Greg 先後畢業於密歇根大學和凱特林大學，分別獲航空航太工程學士學位和製造管理碩士學位。

Greg Green，汽車市場營銷總監