隨車載電子負載激增，傳統12V系統已難敷使用，引領汽車產業轉向48V架構。傳統分立式轉換器因組件繁多，面臨PCB重設計、散熱與認證冗長的瓶頸；而模組化電源架構透過整合開關與控制的成熟單元，不僅簡化合規流程，更支援串並聯擴充與「虛擬電池」概念。透過如Paladin等參考平台驗證，模組化設計能大幅減少50%組件，彈性相容12V與48V電壓，成為高壓轉SELV系統更輕量、高效且易部署的最佳路徑。
幾十年來，汽車電源系統的設計一直採用傳統的12V架構。然而，隨著車載電子負載的持續增加，12V系統已無法持續滿足整車效能需求。本文將探討電源模組如何加速向48V架構的轉型，從而提升效能與效率。
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加智慧、更加安全，但也大幅增加了電源設計人員的工作複雜度。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，將48V作為新的安全特低電壓(Safety Extra-Low Voltage, SELV)系統架構。
然而，向48V轉換並非易事。汽車製造商需要考慮與現有12V負載的相容性，同時還要滿足更高系統電壓下的新安全要求。每次架構轉換都意味著必須重新認證、重新設計PCB，以及重新驗證熱效能。
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、彈性配置，並有助於在不同車輛平台間共用認證成果。
傳統方案難以為繼
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布局，因為元件配置、回路幾何結構以及熱路徑很難跨版本沿用。
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。更高的系統電壓會提高對爬電距離與電氣間隙的要求，而這將增加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，使情庫更為複雜。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，而每個元件都需要供應鏈管控和生產件核准程序(Production Part Approval Process, PPAP)檔案。當汽車製造商更新平台或導入新的ADAS功能時，工程師必須對整個轉換器進行重新認證。當配電網路(Power Distribution Network, 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。
模組化架構提升擴充彈性
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，而是通過組合可互操作的模組來建構系統。
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、磁性元件與控制整合到一個經過熱最佳化的模組中(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。
圖1 單一Vicor電源模組即為完整的DC-DC轉換器，內部整合數百個經最佳化設計的微型元件。
在系統層面，模組化設計使PDN更加靈活。工程師可以透過串聯或並聯模組來改變功率等級，而無需修改電路板布局。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電腦和分散式執行器群組創建獨特設計的工程師，現在可以共用一套通用的模組。
高壓轉SELV面臨挑戰
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，並放大了布局、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，以及隨組件數量增加而加劇的EMI敏感性。
隨著SELV負載動態性的增強，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、過衝或延遲的情況下穩定響應。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布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決了這個問題。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)可達8MA/s。
隨著模組化轉換器達到此等瞬態效能水準，便能直接支援動態負載，而過去這類應用往往需要仰賴SELV母線上的專用儲能裝置才能做到(圖2)。由於轉換器可直接回應快速變動負載的電流需求，因此該架構不再依賴傳統緩衝器或輔助電池。這種「虛擬電池」(Virtual Battery)的概念大幅顯著減輕了電動汽車系統的重量、成本與複雜度。
圖2 憑藉高效率與快速瞬態回應，固定比率轉換器可直接供電負載，免除輔助電池與緩衝器需求，形成虛擬電池概念，降低系統重量與複雜度
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透過粗線束分配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。區域架構利用在整車內分配48V電源，並在負載點完成48V到12V的轉換來解決這個問題。
在相同功率水準下，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%，並顯著簡化布線。如此一來，區域控制器就能夠在本地為負載供電，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台內共存。在這一過渡階段，模組化轉換器能夠靈活地同時支持兩個電壓域，而不會增加系統複雜度或重新設計。
Paladin展現模組化彈性
為了展示模組化電源可實現的設計靈活性，Vicor開發了Paladin參考平台。Paladin是一個4kW、800V轉12V/48V的演示平台，總體積僅1.1L，功率密度達3.6 kW/L。該平台包含兩組高壓轉SELV轉換級，以及兩個可互換的低壓模組安裝位，可安裝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，使工程師無需修改PCB、外殼或認證文件，即可調整輸出配置。
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(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，設計人員即可實現穩壓12V輸出、穩壓48V輸出或混合電壓軌配置。
圖3 Paladin平台採模組化設計，高壓轉SELV功率級搭配可互換低壓模組，支援快速配置與多種輸出電壓切換
從電力層面看，Paladin是一個完整的供電網路概念驗證系統。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置，則需設計三塊完全不同的PCB，並更換數百個組件。而Paladin僅需一塊電路板即可支援相同的三種配置，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。開發量產系統的工程師可以將Paladin作為設計的起點。
模組化方案簡化高壓轉SELV
向48V架構過渡可能帶來許多複雜問題。然而，模組化方案能夠降低設計難度，為工程師提供更輕鬆的路徑，打造具擴充性、緊湊且靈活的解決方案。像Paladin這樣的系統充分證明，模組化設計已準備好因應產業演進過程中的嚴苛要求(圖4)。
圖4 Paladin為4kW、800V轉12V/48V示範平台，體積1.1L，功率密度3.6kW/L，支援PRM或DCM模組彈性配置
模組化方法不僅可縮小DC-DC轉換器的尺寸，還具備高度的彈性，最多僅需更換兩個元件，即可支援12V與48V電源架構。在設計高壓轉SELV電源系統時，相較於分立式設計，模組化方法可作為更簡潔、更易於擴充與部署的替代方案。
(本文作者為Vicor公司汽車市場營銷總監)