前言

隨著電子系統(tǒng)日趨緊湊且功率密度持續(xù)攀升，熱管理已超越傳統(tǒng)的舒適性與可靠性范疇，成為影響系統(tǒng)性能與安全的核心要素。這推動(dòng)工程師進(jìn)一步了解驅(qū)動(dòng) 48V 高功率系統(tǒng)的應(yīng)用動(dòng)因，以及在此電壓等級(jí)下解決熱管理問題所面臨的工程技術(shù)挑戰(zhàn)。

日益增長(zhǎng)的能源需求正加速 48V 電源架構(gòu)在兩個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域的普及——電動(dòng)汽車 (EV)以及人工智能 (AI) 數(shù)據(jù)中心。

與傳統(tǒng)的 12V 汽車電氣系統(tǒng)相比，48V 系統(tǒng)能夠提升整車電源能效、減輕線束重量，并集成更先進(jìn)的安全功能。在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域，48V 供電架構(gòu)憑借其降低傳輸損耗、簡(jiǎn)化電源轉(zhuǎn)換等優(yōu)勢(shì)，正獲得越來越多青睞。盡管這兩個(gè)市場(chǎng)服務(wù)的終端用戶迥異，但其對(duì)高效熱管理技術(shù)均存在迫切需求，以有效散發(fā)系統(tǒng)運(yùn)行中產(chǎn)生的多余熱量。

01電動(dòng)汽車與數(shù)據(jù)中心如何受益于 48V 電源

向 48V 架構(gòu)轉(zhuǎn)型的基本原理遵循功率公式：功率 (P)=電壓 (V)×電流 (I)。

提升電壓可在維持相同功率水平的前提下降低電流，進(jìn)而允許使用更細(xì)、更輕的導(dǎo)線——這是電動(dòng)汽車和數(shù)據(jù)中心工程師共同追求的方向。

下圖展示了一個(gè)控制 480W 電機(jī)的簡(jiǎn)單實(shí)例。

功率損耗改善示例

在汽車應(yīng)用中，48V 技術(shù)已取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展——除了驅(qū)動(dòng)各類泵和風(fēng)扇外，已廣泛應(yīng)用于主動(dòng)懸架與電動(dòng)渦輪增壓子系統(tǒng)。這些應(yīng)用所能承載的負(fù)載已遠(yuǎn)超傳統(tǒng) 12V 系統(tǒng)的能力范圍，同時(shí)又避免了高壓 (HV) 主牽引系統(tǒng) (>400V) 所需的復(fù)雜安全措施。

在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域，超大規(guī)模服務(wù)商正部署 48V 架構(gòu)來驅(qū)動(dòng)風(fēng)冷和液冷系統(tǒng)，以提高電能使用效率 (PUE)，并通過優(yōu)化配電架構(gòu)減少電壓轉(zhuǎn)換級(jí)數(shù)，從而提高能效。由于功率損耗與電流的平方成正比 (P=I2R)，更高電壓可顯著降低此類損耗。與 12V 系統(tǒng)相比，48V 系統(tǒng)能將配電損耗降低至原來的 1/16——這對(duì)于需要管理成千上萬臺(tái)服務(wù)器供電的企業(yè)極具吸引力。

0248V 架構(gòu)優(yōu)勢(shì)根源

48V 在效率與安全之間取得了精準(zhǔn)平衡，超過此電壓等級(jí)將顯著增加復(fù)雜性。直流電壓超過 60V 的系統(tǒng)將被劃入危險(xiǎn)電壓范疇，需遵循 IEC 60950 與 ISO 6469 等 OSHA 指南/標(biāo)準(zhǔn)中的嚴(yán)格絕緣、隔離與防護(hù)要求，這會(huì)顯著增加產(chǎn)品設(shè)計(jì)與認(rèn)證的成本及復(fù)雜度。

此外，耐壓等級(jí)更高的元器件(如電容、MOSFET 與連接器) 通常價(jià)格更昂貴、貨源更稀缺，且在空間受限的設(shè)計(jì)中更難集成。在更高電壓與開關(guān)頻率下，電磁干擾 (EMI)等問題也會(huì)更加復(fù)雜，并可能引發(fā)性能與可靠性問題。因此，48V 成為一個(gè)理想選擇——電壓足夠高，能夠?qū)崿F(xiàn)顯著的節(jié)能效果；同時(shí)又足夠低，可避免高壓系統(tǒng)帶來的法規(guī)、設(shè)計(jì)、測(cè)試及成本負(fù)擔(dān)。

盡管優(yōu)勢(shì)顯著，48V 系統(tǒng)仍為電動(dòng)汽車熱管理設(shè)計(jì)帶來一系列獨(dú)特挑戰(zhàn)。下面將對(duì)三大核心問題進(jìn)行詳細(xì)分析：

電壓瞬變

雖標(biāo)稱“48V”，但實(shí)際系統(tǒng)必須能夠耐受因瞬變現(xiàn)象導(dǎo)致的更高電壓。負(fù)載突降、感性負(fù)載反沖等電源異?？赡軐㈦妷和聘咧?70V 以上。ISO 21780 和 LV 148 等國際汽車標(biāo)準(zhǔn)明確要求系統(tǒng)具備強(qiáng)大的瞬變處理能力。例如，在設(shè)計(jì)電機(jī)控制芯片時(shí)，建議汽車工程師選用額定工作電壓為 90V 的高壓 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器，以確保提供足夠的余量來安全吸收瞬變能量，避免系統(tǒng)損壞。

平臺(tái)兼容性與小型化限制

汽車電子控制單元 (ECU) 必須結(jié)構(gòu)緊湊并能適配多種車型平臺(tái)。各平臺(tái)可能對(duì)外形尺寸有特定要求，因此需要靈活的硬件與軟件解決方案。此外，支持空中升級(jí) (OTA) 和存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)的能力也要求更大的閃存容量，因此需要具有大存儲(chǔ)容量、高度集成且可編程的解決方案。

可靠性與邊界條件

電池冷卻系統(tǒng)必須在極端溫度和振動(dòng)條件下保持可靠運(yùn)行。ECU 需要確保風(fēng)機(jī)即使面臨氣流阻塞或其他邊界條件時(shí)，仍能平穩(wěn)啟動(dòng)并維持運(yùn)行。這要求模數(shù)轉(zhuǎn)換 (ADC) 能夠精確感知負(fù)載變化與系統(tǒng)參數(shù)，從而使 ECU 能檢測(cè)氣流阻塞等異常情況，并據(jù)此調(diào)整風(fēng)機(jī)運(yùn)行。

03拓展熱管理視野

數(shù)據(jù)中心的 48V 架構(gòu)

雖然數(shù)據(jù)中心無需應(yīng)對(duì)汽車系統(tǒng)中的機(jī)械應(yīng)力，但 48V 環(huán)境下的熱管理同樣至關(guān)重要。隨著數(shù)據(jù)中心功率密度持續(xù)上升，傳統(tǒng)風(fēng)冷方案逐漸無法滿足需求——行業(yè)必須向先進(jìn)熱管理方案轉(zhuǎn)型，以優(yōu)化散熱并提升 PUE 指標(biāo)。

現(xiàn)代服務(wù)器和存儲(chǔ)機(jī)架的功率密度不斷攀升，AI 服務(wù)器機(jī)架功率甚至超過 20kW。當(dāng)電流流經(jīng)穩(wěn)壓模塊、配電網(wǎng)絡(luò)、中央處理器 (CPU)、電源單元 (PSU) 及不間斷電源系統(tǒng) (UPS) 時(shí)，熱量會(huì)快速積聚。如果沒有先進(jìn)的冷卻技術(shù) (包括風(fēng)冷、液冷、單相與雙相浸沒式冷卻、直接芯片冷卻等)，系統(tǒng)可能降頻、失效或能源嚴(yán)重浪費(fèi)。

部分領(lǐng)先的數(shù)據(jù)中心廠商已發(fā)布采用 48V 配電母線的開放硬件設(shè)計(jì)，但也報(bào)告了在元器件采購與熱管理方面遇到的挑戰(zhàn)——這凸顯了可靠、集成化的供電與冷卻解決方案的重要性。

數(shù)據(jù)中心采用 48V 電源架構(gòu)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)包括：

降低轉(zhuǎn)換級(jí)數(shù)

傳統(tǒng) 12V 系統(tǒng)需要多級(jí)電源轉(zhuǎn)換。48V 系統(tǒng)簡(jiǎn)化了電源轉(zhuǎn)換流程，可直接轉(zhuǎn)換成不同組件所需的電壓，提升了整體配電效率與性能。

支持高需求工作負(fù)載

48V 架構(gòu)更適合為圖形處理器（GPU）和專用加速器等高性能計(jì)算資源供電。

減少發(fā)熱量

48V 系統(tǒng)中的更低電流顯著降低了配電過程中的熱量產(chǎn)生。效率的提升降低了對(duì)數(shù)據(jù)中心冷卻能力的要求。

支持高密度配置

48V 架構(gòu)非常適合高密度服務(wù)器部署，能夠利用更小的元器件實(shí)現(xiàn)高效電力供應(yīng)。這對(duì)在緊湊空間內(nèi)管理熱負(fù)荷至關(guān)重要。

數(shù)據(jù)中心熱管理框圖

04助力工程師優(yōu)化 48V 轉(zhuǎn)型

Allegro 提供的電機(jī)控制與傳感技術(shù)可滿足 48V 電源架構(gòu)在汽車與工業(yè)應(yīng)用中的需求。基于此，在選擇用于熱管理的元器件時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下特性：

1寬工作電壓范圍 (5.5V 至 90V)

支持 12V 至 48V 架構(gòu)的廣泛應(yīng)用，并能承受嚴(yán)苛的瞬變事件。

2內(nèi)置診斷與故障保護(hù)

防止欠壓/過壓、過熱及功率橋故障。

3基于高頻注入 (HFI) 的無傳感器電機(jī)控制

省去外置傳感器，降低物料清單 (BoM) 成本，提高系統(tǒng)可靠性；而智能電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電流傳感器與柵極驅(qū)動(dòng)器等組件則有助于進(jìn)一步提升能效。

掌握這些特性后，工程師能夠構(gòu)建結(jié)構(gòu)緊湊、軟件定義的熱管理模塊，滿足下一代電動(dòng)汽車與高密度數(shù)據(jù)中心對(duì)響應(yīng)速度與運(yùn)行效率的嚴(yán)苛要求。

共同的挑戰(zhàn)，戰(zhàn)略性的機(jī)遇

隨著功率需求不斷上升、系統(tǒng)持續(xù)向更高集成度與電氣化發(fā)展，48V 架構(gòu)在效率提升與線束簡(jiǎn)化方面展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)。

但隨之也帶來了新的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)——尤其在熱管理方面，即便是微小失誤也可能導(dǎo)致性能下降、安全隱患甚至災(zāi)難性的系統(tǒng)故障。無論是管理電動(dòng)汽車鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)扇，還是 AI 數(shù)據(jù)中心機(jī)架式冷卻系統(tǒng)，48V 所面臨的挑戰(zhàn)都驚人地相似——瞬態(tài)防護(hù)、功率密度、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及負(fù)載下的可靠性。

Allegro 通過專為 48V 應(yīng)用設(shè)計(jì)的電機(jī)控制器與傳感器解決方案，幫助工程師應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)具有高耐壓能力、豐富診斷功能與高集成度的設(shè)計(jì)。這些技術(shù)實(shí)現(xiàn)了可靠而高效的熱管理系統(tǒng)，可支持不同平臺(tái)、不同工況與不同應(yīng)用場(chǎng)景，使 48V 架構(gòu)的潛力得以充分發(fā)揮。