作者：Philip Simpson，高級現場應用工程師

1.    在第一級轉換階段實現最高效率

高壓（HV）至48V供電網路（PDN）設計中的一個重要環節，是提供符合安全法規要求的隔離。

第一級轉換通常無需穩壓，這為採用先進的拓撲結構創造了條件，特別是固定比率正弦振幅轉換（SAC™）。 固定比率 SAC 母線轉換器採用諧振電路架構，可最大限度降低變壓器的漏電感，從而最有效地提升轉換效率。此外，零電壓和零電流軟切換技術能够最大限度减少與切換動作相關的損耗，進一步提升效率。 SAC 母線轉換器具備强大的（通常超過4000V）電隔離、雙向轉換能力以及極高的瞬態回應效能。 現時已有小型模組化封裝的 800V 和 400V 固定比率 SAC 母線轉換器，可完全滿足爬電距離和電氣間隙的標準要求。

2.    降低敏感負載附近的雜訊干擾

隨著電源系統變得日益緊湊，採用低切換雜訊的轉換器拓撲來保護對雜訊敏感的負載變得愈發重要。 採用較高切換頻率的轉換器會將轉換過程中產生的雜訊分量移至更高頻段，使其更易於被濾波器抑制，從而減輕對敏感負載的干擾。 零電壓切換（ZVS）和零電流切換（ZCS）等軟 MOSFET切換技術產生的 EMI 雜訊更少，因此能够最大限度地减少可能影響雜訊敏感負載的干擾。

3.    提供精確穩壓的 48V 母線

部分子系統和外設已轉向原生 48V 運行，特別是那些功耗需求超出 12V 供電能力合理範圍的設備。 其中，部分子系統不需要精確穩壓的 48V 供電軌，而另一些則確實需要精確的電源穩壓。

當使用隔離式固定比率母線轉換器將高壓 DC 電壓轉換為 48V 時，由於該轉換器通常不具備穩壓輸出功能，可能需要對 48V 母線進行穩壓。 若母線轉換器由 400V 或 800V 電池供電，其輸出電壓會因電池的荷電狀態、環境溫度、電池老化程度以及負載特性不同而產生較大幅度的波動。 例如，800V 電池的輸出電壓範圍可能在 576V 至 832V 之間。 如採用 K = 1/16 的母線轉換器，這一輸入電壓範圍對應的輸出電壓範圍則為 36V 至 52V。

在這種情況下，採用 ZVS 升降壓 DC-DC 轉換器將大有助益。 例如，一款典型的 800W ZVS 升降壓轉換器可提供寬輸入電壓範圍（如 38V 至 60V，標稱 48V），其標稱 48V 輸出電壓可在 30V 至 54V 範圍內調節。 此類 ZVS 升降壓轉換器的輸出電壓負載調整率約為 0.3%，滿載時的典型轉換效率可達 97.7%。 該效能水准足以滿足要求嚴苛的 48V 負載的需求。

4.    確定電源穩壓的最佳位置——上游還是下游？

48V 供電軌的穩壓位置取決於系統設計。 如果系統中沒有“原生”48V 子系統，且所有負載均工作在 12V、5V、3.3V 或低於 1V 的電壓下，則實際上無需對 48V 電源母線進行穩壓。 在此情况下，穩壓可在向 12V 轉換的“橋接”環節實現，或在通過降壓穩壓器將 48V 降至低壓的負載點轉換過程中完成。

對於 48V 轉 12V 的橋接應用，宜採用穩壓型非隔離式 DC-DC 轉換器，其連續輸出功率與峰值輸出功率可根據負載需求進行適配。 輸入電壓範圍應足够寬，以適應 48V 母線上可能出現的任何波動。 12V 的穩壓精度取決於系統要求； ZVS 降壓穩壓器的典型輸出電壓負載調整率約為 0.1%。

對於 5V、3.3V、1.8V 以及低於 1V 的穩壓型負載點處理器供電應用，將穩壓功能與電流倍增功能分開設定往往更具優勢。 這種功能劃分方式稱為分比式電源架構（FPA™）。 該架構先定義一個精密穩壓級，其後緊跟一個電壓變換級或電流倍增級，後者可在精確穩壓的供電電壓下提供大電流輸出。 電流倍增變換的“K 因數”决定輸出電壓，例如 K = 1/48 時可向負載提供 1V 輸出電壓，同時 48V 電源所提供的電流相應地被放大 48 倍。 分比式電源架構允許穩壓級與電流倍增級在物理佈局上相互分離，從而有效緩解處理器周邊組件的“擁塞”或“擁擠”問題。

5.    為大電流負載供電

為大電流負載供電時，一個重大挑戰是儘量減少印刷電路板（PCB）上銅走線的傳導損耗。 針對大電流低壓負載（如 AI 處理器）的供電需求，分比式電源架構（FPA™） 是一種行之有效的解決方案。 在該架構中，一個大功率穩壓級將 54V 高效轉換為 48V。該穩壓級可部署於加速器 PCB 的週邊區域，以避免與記憶體、高速串列 I/O 等其他功能模組爭奪佈局空間。穩壓級對 48V 電源實施精確穩壓，因此下游無需再進行額外穩壓。

採用 48V 作為中間母線電壓可最大限度地降低傳導損耗。 電壓變換級或電流倍增級可水准佈置於處理器旁側（橫向供電），或理想情况下垂直佈置於處理器正下方（垂直供電）。 這種佈局管道可最大程度縮短電流倍增器與處理器電源和接地連接之間的 PCB 銅走線長度，從而降低 PCB 阻抗及由此產生的電阻熱損耗。 電壓變換模組與電流倍增模組均為固定比率轉換器，可在不到 1V 的電壓下提供數百安培的電流。 FPA 方案能够滿足最先進 CPU、GPU 及網路處理器的供電需求。

6.    在高壓條件下實現足够安全的隔離

高壓（800V 和 400V）供電系統應具備數千伏的電隔離能力。 理想情况下，此類系統還應提供高達 100MΩ 的絕緣電阻，並留有充足的爬電距離和電氣間隙，以滿足 IEC 60664-1 等行業安全標準的要求。 基於標準切換拓撲的分立式設計在實現高隔離等級方面存在固有局限，其原因包括組件間存在寄生電容、難以設計足够的爬電距離和電氣間隙，以及在保持隔離屏障介電完整性的前提下難以實現高速切換的同步。

借助零電壓切換和零電流切換技術，基於 SAC 拓撲的 DC-DC 轉換器可實現極高的電壓隔離等級。 這些軟切換技術能够降低 EMI，並最大限度减小隔離屏障上的電壓應力，從而在不犧牲絕緣效能的前提下採用緊湊型磁性結構。因此，在分立組件方案往往難以勝任的高密度高壓應用環境中，SAC 拓撲 DC-DC 轉換器能够集成高隔離度變壓器，並始終保持高效率。

7.    在電路板空間有限的情况下設計安全的爬電距離與電氣間隙

當高壓組件緊密排列於 PCB 上時，發生電弧（涉及電氣間隙）和電痕化（涉及爬電距離）的風險隨之上升。 需要注意的是，電弧和電痕化受工作電壓、污染等級、海拔高度、濕度、絕緣材料以及瞬態電壓等多種因素影響。 雖然灌封工藝可在一定程度上降低風險，但全模塑封裝是更為有效的解決方案。 選用高功率密度集成方案是更優選擇，因為實現電源系統所需的全部組件均被封裝於環氧樹脂模塑外殼內，可以有效降低或消除電弧和電痕化風險。 電源解決方案供應商必須依照 IEC 60664-1 和 62368-1 等標準進行爬電距離與電氣間隙的合規性測試，這一點至關重要。

8.    提升切換器件的效率與可靠性

DC-DC 轉換器的效率取決於轉換拓撲與分區管道、MOSFET 切換頻率以及其他多種因素。 相比其他拓撲，採用零電壓切換和零電流切換的轉換器拓撲可實現更高的效率。 分比式電源架構通過高效穩壓第一級與電壓變換/電流倍增第二級的組合，借助固定比率電流倍增器（其作用相當於理想的 DC-DC 轉換器）實現了卓越的效率。 較高的 MOSFET 切換頻率可最大限度地减少電路寄生，從而提升轉換效率。 先進的封裝技術結合低熱阻以及用於散熱片和冷板的上下共面結構，通過降低電源模組內部最高工作溫度來提高可靠性（即延長平均無故障時間，MTTF）。

9.    保持高度緊湊且可有效散熱的供電網路

顯然，保持緊湊型 PDN 低溫運行的最有效途徑是採用高效率 DC-DC 轉換器。 除此之外，緊湊型電源系統不僅需要妥善處理各組件和模組自身的散熱問題，還需應對密集排列的組件與模組之間的相互熱影響。 一般而言，對於功率較高（約 1kW 以上）的 PDN，必須採用風冷或液冷硬體。 電源系統的功率密度（W/in³）越高，就越有必要採用主動式（風冷或液冷）散熱系統，以確保高可靠性。 具備高轉換效率和低熱阻封裝的電源系統組件，對於採用更偏向被動式散熱的方案尤為重要，特別是對於緊湊型 PDN 而言。

10.    實現高瞬態回應

多種電子和機電系統的一個共同特徵，是對電源的高度瞬態或暫態需求。 例如，汽車中的 12V 和 48V 電池需要滿足車內不同子系統（如 HVAC 電機）的瞬態電流需求。 又如，多核資料中心 AI 處理器在算灋負載變化時也會引起電流瞬態。 在上述兩種場景中，滿足瞬態需求的最佳 PDN 解決方案，是採用正弦振幅轉換（SAC™） 拓撲的固定比率轉換器。 此類轉換器切換頻率高，能够以更高頻率將能量傳遞至輸出端，從而有效應對瞬態電流需求事件。同時，其輸出  AC 阻抗低，有助於在瞬態事件期間維持輸出電壓穩定。 採用 SAC 技術的轉換器還具備電容倍增功能，即輸入電容乘以變換比（K）的平方後，有效呈現於輸出端，這一電容倍增效應可顯著改善 PDN 的整體瞬態效能。

11.    適配傳統的 12V 負載

大多數系統都包含 12V 負載，例如 12V DC 風扇。 這些 12V 子系統通常經過多年生產已實現成本最優化，若替換為 48V 方案，在經濟上可能並不划算。 針對此類子系統，當需要穩壓供電軌時，48V 轉 12V DC-DC 轉換器是理想之選； 而當非穩壓供電軌即可滿足要求時，48V 轉 12V 非隔離式母線轉換器則更為合適。 若上游 48V DC-DC 轉換器能够提供穩壓功能，則這種非隔離式母線轉換器可為 12V 子系統提供穩壓輸出。

12.    確保 48V 供電網路可擴充且易於原型製作

各類電子系統的功耗需求通常會隨著時間推移而新增。 例如，在電腦系統中，可能需要新增記憶體或網路硬體。 理想情况下，在不進行重大系統改造的前提下實現供電網路容量的按需擴充，將具有顯著優勢。 這需要事先做好規劃，但完全可以實現。

部分模組化 DC-DC 轉換器支持陣列運行模式，即多個器件並聯工作，使輸出功率提升至兩倍或四倍。 理想情况下，通過簡單的導線互連均流方案即可構成此類功率陣列。 這種方案的優勢在於：電路板可按照兩個或四個並聯器件進行佈局，初期只需安裝其中一個器件； 後續若系統功耗需求新增，隨時可增添一至三個（或更多）器件，並連接少量跳線，即可實現電源系統擴容，以滿足新的系統功率需求。

這種簡便的供電擴充方式不僅有助於對不同的設計方案進行快速評估和原型製作，也提高了在不同功率需求的系統間複用設計的機會。

在原型製作方面，模組化電源解決方案遠比分立式方案更為便捷。 它們結構緊湊，I/O 連接較少，所需外部組件極少。 更重要的是，它們已根據行業及法規標準進行了預測試和預認證。 當產品上市速度成為關鍵項目目標時，電源模組無疑具有極高的價值優勢。

充分的前期準備可簡化 48V 遷移過程，確保供電網路達到最佳效能

48V 系統電源的首次大規模應用可追溯至 100 多年前——當時處於起步階段的電話行業便已認識到其在效率和傳輸距離方面的優勢。 近年來，開放計算項目（Open Compute Project）宣導在資料中心機架內採用 48V 供電方案。 現時，部分電動汽車已開始使用 48V 系統電源。

從 12V PDN 向 48V PDN 的世代更替正在加速。 系統遷移至 48V 已不再是“是否遷移”的問題，而是“何時遷移”的問題。 汽車電氣化的推進、人工智慧計算的迅猛發展，以及高功率工業應用的湧現，正共同推動 48V 供電網路成為大勢所趨。 雖然電源工程師在 12V PDN 領域擁有數十年的經驗和充分的信心，但在向更高容量的 48V PDN 遷移時，設計團隊仍面臨諸多挑戰。 數十年來，分立式系統在 12V 電源設計中一直行之有效，但面對不斷演進的供電需求，其能力有時難以為繼。 在許多情况下，行業在架構、拓撲和封裝等方面的持續創新，將在很大程度上降低下一代 48V 應用的實現難度。 這些創新將進一步加速向 48V 的遷移，助力打造可擴充、高密度、面向未來的 PDN。

SAC™ 和 FPA™ 均為 Vicor 公司的注冊商標。