效率提升帶動新架構搶灘　48V系統翻轉車用電源設計

車輛發展超過百年，近來正逐漸由機械為主的架構轉向電氣化架構，1918年汽車首次導入蓄電池，隨著起動機的誕生，1920年蓄電池獲得了廣泛應用，當時蓄電池的電壓等級是6V，並且正極接地。由於內燃機排氣量持續增加以及高壓縮比內燃機的出現，1950年電壓等級開始向12V進化，直到現在，12V電壓系統已經使用超過60年。

1988年，美國SAE(Society of Automotive Engineers)曾提議把標準電壓提高至42V，由於當時的技術水平，以及電氣零組件替換的高昂費用，此方向未獲得車商廣泛支持。2011年，Audi、BMW、Daimler、Porsche、Volkswagen等歐系車廠聯合推出48V系統，以滿足日益成長的車載電子負載需求，更重要的是為了滿足2020年嚴格的排放法規，並在隨後發布了48V系統規範LV148。

48V系統可以應用在所有包括內燃機(Internal Combustion Engine, ICE)車、油電混合車與電動車，因為車輛電控系統越來越多，電源管理的需求提升，以基本電學公式來看，在功率不變的狀況下，電壓提升為12Ｖ的四倍，電流就會降低為1/4，電流變小整個傳輸電路安全性也因此提高，而損耗降低，傳輸產生的廢熱也變小。藉由將車電系統的電壓提高，汽車製造商得以在電力系統足以負擔的情況下將許多傳統的機械、液壓系統轉換為電子式的系統，藉此減少引擎負擔、改善排放。另一方面，48V車電系統也能夠驅動過去12V車電系統無法支援的大功率電動馬達，打造微型油電形式的混合動力系統。

48V車用電源效率大幅提高

48V相對於12V，優勢除了更大的電壓能實現更多功能之外，成本僅是高壓混合動力系統的1/3，能夠利用電氣化降低排放，卻能達到其2/3的節能效果，使整車燃油經濟性提高10%~18%。省油效果相對明顯，對現有整車結構改變不大，不會大幅度更改車輛設計或者增加重量，是一種車廠最容易上手、用戶接受度最高的混合動力方案。

整體而言，現今汽車供電有多項趨勢，Vicor應用工程師張仁程(圖1)指出，高輸入範圍與電壓、高輸出功率、高效率、高能量密度(High Power Density)、小體積、低能量/重量比(Power to Weight)、散熱效率(Thermal Dissipation)、遠端管理(Telemetry)、低雜訊等都是發展重點。以750W的供電實例而言，12V系統電流達63A，傳輸使用2AWG電源線，每公尺重量約273公克，3公尺線路損耗約13.6W；而48V系統電流降到16A，使用12AWG電源線，每公尺線路重量僅27公克，3公尺線路損耗8.6W，重量剩下1/10，損耗降低37%。

雖然48V系統在傳輸與應用上有諸多優勢，但在技術上卻帶來許多設計挑戰，張仁程表示，過去12V要轉換到更小的系統應用，通常是降到5V，但是48V降壓到5V，降壓的幅度更大，就降壓效率來看損失必定更大，也就需要透過架構的調整盡量縮小轉換損失(Switching Loss)，因此這些技術就成為接下來新興電源設計的發展重點。

新興ZVS與SAC架構設計將成明日之星

電源轉換效率其實是錙銖必較的領域，對於數位技術來說，每個不同的產品世代效能提升兩倍是家常便飯，但是在類比電源世界，1%的電源轉換效能提升就是一個新世代產品了。目前一般的電壓轉換IC效率大概97%~98%，努力的目標是提升轉換效率到99%，甚至零耗損轉換，升壓轉換又比降壓轉換困難，要做到雙向升降壓都具備高效率更是一大挑戰。

零電壓切換(Zero-Voltage Switching, ZVS)是一種將電流引導到開關中以在開關打開之前均衡任一側電壓的技術，張仁程進一步說明，這有助於減少切換損耗，使切換頻率提高四倍或更多，並縮小元件尺寸，減少大幅壓降的耗損。ZVS利用箝位開關和電路諧振，通過柔性切換有效地操作高端和同步MOSFET，避免了其在常規PWM操作和定時期間產生的損耗。

另一種正弦振幅轉換器拓撲(Sine Amplitude Converter, SAC)是一個處於BCM模組核心位置的動態、高效能引擎。基於變壓器的串聯諧振拓撲結構，在等於初級側儲能電路諧振頻率的固定頻率下工作。初級側的開關FET鎖定為初級的自然諧振頻率，在零交叉點開關，可消除開關中的功耗，提高效率，顯著減少高階雜訊諧波的產生。初級諧振迴路是純正弦曲線，可減少諧波內容，提供更乾淨的輸出雜訊頻譜。由於SAC的高工作頻率，可使用較小的變壓器來提高功率密度和效率。

採用SAC的架構因為雜訊少，張仁程提到，該架構也具有容易濾波、減少EMI、容許使用最高規格的零件、沒有開關損耗、低峰值/平均電流或電壓比例、可以進行雙向傳輸、快速瞬變響應、純電阻及低阻抗輸出、沒有能量儲存等優點。

電源晶片與處理器整合設計為趨勢

另外在電路模組的設計上，就算電源管理晶片本身的效率極佳，在系統設計上也可能因為線路的耗損導致效率降低，這俗稱為「最後一吋(Last Inch)」問題，為了解決類似問題，張仁程解釋，整合電源管理晶片的Power on Package設計越來越受重視，可以縮減90%的pin腳，不過這類設計需要與晶片電路設計整合，加上半導體封裝廠商的專業協助，同時考量電源晶片與處理器晶片互相干擾的問題，預計還要二~三年發展時間。

已經被提出的Power on Package架構有橫向(Lateral Power Delivery, LPD)(圖2)與垂直(Vertical Power Delivery, VPD)(圖3)兩種，主要處理器晶片的電流在1,000A以內，可以採用LPD架構，將電源模組安放在處理器的側面，可減少PDN損失，減少晶片模組電路板層數，並改善瞬態性能，將峰值電流能力擴展到超過1,000A，系統功率耗損70W左右。

而垂直的架構VPD則是效率最高的設計，MCM安裝在處理器的底部，可以最小化處理器周圍的空間，大幅減少PDN損失，並整合PoL電容，且提升整體系統效率與處理器的性能。在VPD的架構下，假設電流一樣為1,000A，功率損耗可以控制在10W以內。以系統阻抗而言，採用水平側邊的LPD設計，阻抗為30~70μΩ，垂直的VPD設計架構，阻抗則可以更進一步降低到10~15μΩ。

車用電源轉換方案多元紛呈　效率/成本/體積缺一不可

而在車輛48V的設計實務上，Vicor非常積極發展相關解決方案，其中，PI354x-00-BGIZ是48V Cool-Power ZVS降壓型穩壓器產品，其高效能ZVS在不影響效能的條件下，實現48V直接到載(48V-PoL)的應用。採用從更高電壓電源直接降壓，工程師可更有效率的部署配電架構，減少功率損耗，並消除高成本、低效率的二階轉換。PI354x在不增加任何組件的情況下，可透過使用單線併聯快速提升電流供電。與Vicor前端電源產品及分比式電源產品(Factorized Power Products)搭配使用，PI354x系列可實現從AC或HVDC(200V+)電源到PoL的完整電源鏈。

再者，Vicor的雙向48V/12V轉換器模組NBM，採用不足3.3立方釐米的封裝，提供48V~12V雙向轉換，在750W穩定功率和1kW峰值功率下，支持98%的峰值效率。NBM開關頻率為1.7MHz，占用的空間只是需要大量離散元件的低速開關頻率(不足1MHz)解決方案所需空間的一小部分。NBM將其輸出保持在狹窄電壓頻段內的同時，可快速回應瞬態負載(1微秒)。NBM是一款完整的電源解決方案，無需外部篩檢程式、大電容器、熱插拔或湧流限制，提供電壓基本沒有雜訊。

另外，汽車導入越來越多ADAS與人工智慧功能，車用晶片運作通常都是1.8V或是以下，如何從系統的48V降到最低1V以下，張仁程建議，採用SAC架構解決方案，透過兩顆晶片的電壓轉換，48V轉到12V轉換效率98%的晶片，再加上12V轉1.8V，效率96%的解決方案，讓整體轉換效率還有94%的系統效能；相較傳統的12V降壓到1.8V約95%的效率已經非常接近。而現在電源管理晶片除了體積小、重量輕、低雜訊之外，也越來越要求晶片的高度，輕薄短小的趨勢在功率晶片也同樣被要求。

電池充電/管理應用角色吃重

而不管是成長迅速的電動車，技術越來越成熟的油電混合動力車或是ICE車的48V系統，未來電池模組在車輛中扮演的角色越來越吃重，電池系統管理的挑戰包括：負載調節和充電、環境運作挑戰與熱管理三大面向。張仁程認為，負載調節和充電包含在電壓和電流優先級之間的切換、許多系統使用專用的電池充電組件和DC-DC穩壓器；環境運作挑戰則是車輛上山下海、春夏秋冬的運作，室內、室外-40℃~125℃的操作溫度範圍；熱管理部分，車輛運作環境溫度高，幾乎沒有冷卻機制，同時沒有散熱空間，主動冷卻的設計也不強。

Vicor的PI374x系列是高效率、寬輸入電壓範圍DC-DC零電壓升降壓穩壓器，高功率密度的System-in-Package(SIP)整合了內部控制器、功率開關以及相關支援元件。內部採用零電壓ZVS拓撲，使PI374x可獲得極高的電源轉換效率，週邊僅需一個電感和最少的電容，即可完成一個升降壓DC-DC設計。

車輛電源設計因應電氣化的趨勢，即將迎接大規模的典範轉移，48V系統固然帶來許多效率提升的優勢，對於電源晶片廠商而言也有一道道技術挑戰同時橫亙在眼前。包括：電壓升高，電磁兼容要求會更高；48V電壓會存在電弧，必須妥善處理；原來的12V車載設備轉換到48V需要重新開發以及測試，所費不貲、周期長；且48V系統比12V start-stop系統成本高，節能效果不如高壓混合動力系統。

然而，挑戰也是機會，目前市場已經證明，48V車用電源系統所帶來的整體效率提升，已經超越損耗，市場需求也逐步浮現，車輛未來的電源供應、轉換、充電等架構日益複雜(圖4)，如何在複雜的架構中持續提升轉換效率，並且簡化架構複雜性，也是電源設計解決方案廠商的發展重點。