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48V架构在汽车领域复兴：推动效率与创新
前言：
作者：Aditya Ambardar，Diodes公司开关电源业务部门经理
几十年来，12V电气系统一直是汽车行业的坚定支柱。然而，一场无声的变革正在酝酿中：人们对48V架构重新产生兴趣，而且兴趣愈发浓厚，特别是在电动车蓬勃发展和汽车世界竞相实现零排放目标的背景之下。大约二十年前，全球曾探索过42V架构，那时虽然没有获得重大关注，但如今48V系统有望重塑车辆设计，在效率、电力传输和降低成本方面提供巨大优势。这种转变不仅仅是渐进式升级，更是根本性变化，背后的推动力是现代车辆不断增长的电力需求。
48V系统引人注目的优势
采用48V系统的主要动力，在于可以对混合动力车和电动车产生深远影响。一段时间以来，48V系统在提高轻度混合动力电动车（MHEV）的效率方面发挥了重要作用，并且由于 MHEV、纯电动车（BEV）和混合动力电动车（HEV）需要更高电流的电气应用，48V系统因此正在加速投入使用。
48V系统最显著的一个优势，就是当典型MHEV集成的强力启动发电机与48V电池搭配使用时，能够在制动期间回收能量。回收的能量可用于提升汽车性能并显著减少排放。此外，48V电源轨或电池驱动更高功率的加热器和电机时，驱动效率更高。这种效率提升不只是理论上的，更是能给汽车设计和工作带来实际好处。
48V架构优越性的一个关键点是能对汽车线束产生影响。从12V系统转变为48V系统，会大幅减少电流消耗。举例来说，一个800W系统全力工作时，在12V架构下会消耗约 67A电流；而在48V架构下，消耗电流骤降至17A左右，降幅约为四分之三。电流减少对功率损耗有深远的影响。理论上，48V系统的I²R损耗（即供电系统中由电阻引起的功率损耗）是12V系统的1/16。就电源效率而言，这是一个巨大优势。
减少电流带来的物理影响同样重大。汽车中电力电缆或线束的尺寸大小取决于载流能力。电流减少四分之一，直接意味着可以使用更小的线规，从而大幅降低线束的成本和重量。这与汽车设计的另一个架构转变不谋而合：区域架构概念。这种创新方法根据物理位置（而不是功能类别），对配电、通信和负载驱动进行分组。区域架构带来的实际好处是布线更少，并且更有效地利用空间。48V电源轨的优势与区域架构相结合，线规就会大幅减小，因此线束更轻、更具成本效益。这反过来也有助于减轻汽车的整体重量，并提高工作效率。
应对采用48V的挑战
尽管上述优势引人注目，但向48V系统转变本身也存在挑战。12V系统已经普及了七十多年，这意味着全面转向MHEV和HEV、然后再转向48V，可能需要相当长的时间。12V系统长期占据主导地位，如果大规模采用48V系统，就需要重新设计大量元器件，包括连接器和半导体器件，以便适应更高电压。还有一点需要注意：12V系统并不会完全消失；汽车内许多低功率系统将继续使用12V，因为这些系统可能无法从48V系统中获得明显好处。
48V系统最关键的一个设计挑战是管理瞬态电压。从12V转变成48V，本质上会增加瞬态事件的风险，因为电压幅度会变大。因此，必须精心设计系统，安全处理电压瞬变。其他设计考虑因素包括遵守爬电距离（Creepage）和电气间隙（Clearance）要求，这些要求规定了导电部件之间的最小距离，防止发生电气击穿。采用必要高压元器件的成本也是一个重要因素，这一点根据客户需求而有所不同。例如，DC-DC降压转换器和高侧开关等产品要选择 60V至100V的高耐压器件。
另外一个普遍的问题是电磁干扰（EMI），这在任何电气系统中都很常见，但更高的电压会让问题更严重。EMI会干扰电子元器件正常工作，因此是一个重大的设计挑战，需要充分处理。汽车应用中的EMI合规必须遵守CISPR 25标准，特别是4类和5类。
最后，热管理也构成相当大的挑战。高压转换通常会导致输入电压和输出电压之间存在显著差异，从而导致相对更大的功率损耗，从而增加热耗散。缓解这个问题的通常做法，是使用较小电阻的半导体元器件，并采用更有效散热的功率封装。制造商经常会向客户提供有关布局和其他设计建议，从而改善散热并缓解这些挑战。
推动48V创新
在不断发展的汽车领域，像Diodes这样的公司在推动向48V架构转型方面发挥关键作用。Diodes全面的产品组合覆盖整个“电源树”：从电池连接点，一直到负载点（PoL），其中系统级芯片（SoC）传感器等元器件需要电源。
Diodes公司为客户提供专为48V和更高电压架构定制的分立和模拟产品，包括瞬态电压抑制器（TVS）器件，可直接连接电池，从而保护系统。针对反向电压保护（RVP），即保护系统免受正负极端子意外不匹配的影响，Diodes提供一系列SBR高性能整流器。另外，Diodes还提供理想二极管控制器（IDC），例如AP74700AQ器件，与80V和100V N通道MOSFET（DMTH8xxxQ 系列）搭配使用，可提供高度优化和极低损耗的RVP解决方案。
此外，Diodes拥有强大的DC-DC转换器产品组合，对于48V系统的电源管理至关重要。产品包括高压60V和100V DC-DC 转换器，例如AP66200Q和AP66300Q器件，分别用作 3A和2A PoL降压转换器。Diodes还将陆续推出AP6AxxxQ系列，提供电流高达3.5A的 100V PoL解决方案。对于需要更高电流的解决方案，Diodes也正在推出高压DC-DC控制器，与外部MOSFET搭配使用，可提供超过50A的电流。
为了方便客户设计，Diodes提供广泛支持，包括新品发布的补充数据和详细信息，例如评估板和理想设计布局指南，帮助客户优化设计。Diodes还提供特殊参考设计，包含符合CISPR 25 Class 5限制的DC-DC控制器和IDC用户指南。以DDB103R3参考设计为例，该设计具备对±60V设备的保护措施，防止电池反向连接；还有DC-DC降压转换器，支持60V输入和3A输出。如此全面的支持旨在帮助客户简化48V和更高电压架构的设计流程。
结论
在提高效率和减少排放的必要推动下，汽车产业正在经历重大变革，48V架构的复兴证明了这一点。通过缩小线束尺寸和与区域架构协同工作等创新手段，48V架构在电源效率、减轻重量和节省成本方面带来了实际好处。
虽然这一转变也带来了诸多挑战，例如重新设计元器件、瞬态电压管理、EMI和散热考虑，但业界在Diodes公司等领先元器件制造商的支持下，正在积极研究解决方案，力争克服这些挑战。随着汽车朝着全电动和更高效方向持续发展，48V系统经过证明是一项核心技术，为下一代汽车创新铺平道路。
