並聯使用 48 V DC-DC 穩壓器來提高自駕車的供電

汽車從 12 V 轉向 48 V 電軌的趨勢來自於車內電氣系統數量的增加，包括主動懸吊、轉向、氣候控制、電動座椅和車窗及先進的車用資訊娛樂等在內，對電力的需求源源不斷。事實證明，48 V 電源是可有效供應大量能量的最佳選擇，同時還可省去昂貴的元件和繁重的佈線，不然這些還得符合 12 V 架構系統嚴格的安全和效能標準。

此外，隨著內燃機 (ICE) 車款由電動車 (EV) 取代，48 V 系統的採用也會加速展開。雖然 EV 使用 400 V 甚至 800 V 系統來轉動車輪，但車廠尤其是特斯拉及其 CyberTruck，已抓緊機會設計全新車款，將 48 V 納入成為車輛其他電氣系統的標配。

圖 1：未來將有越來越多車輛使用 48 V 為駕駛座等系統供電。(圖片來源： Vicor)

功率越大，電阻損耗越低

但為何要放棄成熟且經過實證的 12 V 技術？畢竟幾十年來都表現良好，而且仍然有龐大的元件供應鏈和經過實證的產品當作後盾。簡單來說，過去一般車輛對於電力的需求就是供電給車內燈光、收音機和點煙器 (是的，汽車以前有內建點煙器)。遑論堪稱汽車設計師夢幻配備的電動轉向系統、GPS 和加熱座椅。因此沒有額外的電力需求了，只要標準的 12 V 就可應付。此外，鉛酸電池每一個電池芯可提供約 2 V 電壓，因此標準的六芯電池可供應必要的 12 V 電壓，並具備非常基本 (且便宜) 的電壓調節能力。

但汽車設計師過去的幻想如今已經成真，所有類型的車輛，無論是傳統汽車、輕油電車、油電車 (HEV)，還是電動車，都需要更多的電力。從功率 (P) (以瓦為單位) = 電壓 x 電流 (A) (以安培為單位) 這個簡易的公式得知，若要取得更多功率，只要提高電壓或電流 (或兩者) 即可。但我們也知道 P = A² x 電阻 (以歐姆 (Ω) 為單位)。由此可知，若單純增加電流來提升功率，會讓電阻損耗倍增，並帶來許多熱管理挑戰。

最好的方法是提高電壓，以相同的電流來達到更大功率。舉例來說，假設我們要以 12 V 電源達到 75 W 功率。就需要 75/12 = 6.25 A 的電流。但是，如果我們將電源提升到 48 V，就可用 75/48 = 1.6 A 的電流達到同樣的功率。電流降低 75%，這表示汽車設計師可以使用更輕的佈線，進而減輕重量並降低成本 (圖 2)。

圖 2：為了關鍵系統改用 48 V 電源，汽車設計師就可降低線束的重量和成本。(圖片來源：Vicor)

48 V 電源不僅汽車受益

汽車並非唯一可從 48 V 匯流排受益的輪式系統。例如，倉庫機器人、輪椅、起重機和最後一哩的自動送貨車，都可享受 48 V 電源的優勢 (圖 3)。與汽車範例不同的是，這些車輛主要使用 48 V 電源對牽引馬達供電；倉庫機器人幾乎不需要加熱座椅或車用資訊娛樂系統。

圖 3：牽引馬達運用 48 V 電源後，最後一哩的自動送貨車就可更快速、更有效率地抵達目的地。(圖片來源：Vicor)

對於這些產品類別，12 V 鉛酸電池正逐漸由多電池芯組成的 48 V 鋰離子 (Li-ion) 電池取代。身為工程師，我們知道這種電池的標稱電壓為 48 V，但放電時，電壓會下降。這表示，需具備良好的穩壓能力，以便電池釋放能量時也維持良好且穩定的電壓。

Vicor 提供隔離式 (達 3000 V_DC) 穩壓 DC-DC 轉換器線路，是適合此類應用不錯的選擇。例如，DCM2322T72S53A0T60 轉換器，能以 14 V 至 72 V 輸入提供 48 V 穩壓輸出，電流高達 2.1 A，功率輸出為 100 W。此轉換器採用高頻零電壓切換 (ZVS) 拓撲結構，效率達到 90.1%，可保持低溫運作並延長電池壽命，同時提供每立方英寸 (in.³) 401 W 的高功率密度。

增強功率

DCM2322T72S53A0T60 是一款高效率穩壓器，但有些應用可能在特定操作模式下會需要超過 100 W 功率，例如電動輪椅爬坡時。有個方法是指定採用具有更大功率輸出的 48 V DC-DC 穩壓器。例如，DCM2322TA5N53A2M60 能在 43 至 154 V 電源下，提供最大 48 V、120 W 功率。使用單一個較大功率的穩壓器時有一點需折衷，就是峰值效率通常會有一些損耗，並且熱管理會變得更具挑戰性。

撇除這一點，DCM2322T72S53A0T60 可輕易部署成模組陣列，以提高功率輸出。多達 8 個單元組成的陣列已通過認可，可提供高達 800 W 的容量。好消息是，此陣列的最大功率就是各個模組最大功率的總和。陣列拓撲並未強制降額。更好的是，陣列中的每個模組，在必要時，皆可用不同的輸入電壓電源工作，同時以 48 V 提供最高 100 W 的功率。

以陣列模式運用 DCM2322 模組時，在設計上有一點要有所折衷：須具備解耦網路來促進平行操作。實際上，這代表每個 DCM2322 只需要一個輸出電容，就可將輸出饋送到共用匯流排。即使所有模組共用相同的輸入電壓源，每個 DCM2322 還是需要一個單獨的輸入濾波器。濾波器的作用在於限制每個模組反射的漣波電流，也有助於抑制拍頻電流的產生 (允許多個傳動輸入級直接互動時，就可能會產生拍頻電流) (圖 4)。

圖 4：DCM2322 DC-DC 穩壓轉換器可組成陣列，以提供高達 800 W 功率；線路圖指出要達到有效且寧靜的運作所需要的輸入濾波器和解耦網路。(圖片來源：Vicor)

結論

從 12 V 轉向 48 V 電源能為多種應用帶來關鍵系統優勢，如倉庫機器人、電動輪椅和最後一哩自動送貨車等。這些優勢包括維持低電流，就可使用更輕、成本更低的線束。

但隨著終端產品的複雜程度提高，電力需求也隨之增加。您可並聯多個 Vicor 的高功率密度 DC-DC 穩壓轉換器，藉此擴大電源系統。如此一來，便可讓 48 V 系統提供高達 800 W 或更高的功率。