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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%。 圖1 Vicor應用工程師張仁程 車輛電源48V系統的技術重點在提升電壓轉換效率。 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...
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提高AI效能/縮短上市時程 Kyocera/Vicor合作開發先進合封電源方案

Kyocera與Vicor近日宣布將合作開發新一代合封電源解決方案,以提高效能並同時縮短新興處理器技術的上市時間。Kyocera將運用既有封裝、模組基板及主機板設計技能將電源及資料的傳輸整合在處理器封裝內;而Vicor則提供合封電源電流倍增器(PoP),實現處理器所需的高密度、大電流的傳輸需求。雙方可藉由這個合作解決更高效能處理器快速發展所面臨的問題,包括高速I/O、高電流需求及複雜性的相應增長等。 據悉,Vicor的合封電源技術可在處理器封裝內實現電流倍增,從而提供更高的效率、密度和頻寬。Vicor指出,在處理器封裝內整合電流倍增器,不僅可將互連損耗銳降90%,同時還可大幅減少通常大電流傳輸所需的處理器封裝引腳,轉而增加於I/O引腳的運用。 Vicor的合封電源解決方案曾在2018 NVIDIA GPU技術大會和2018中國開放資料中心峰會上展出。此一技術可實現從處理器底部進行垂直供電(Vertical Power Delivery, VPD)。垂直供電技術幾乎完全避免了供電傳輸(PDN)的損耗,同時提高了可運用I/O的數量和設計的靈活性。 至於Kyocera則具備數十年的豐富封裝、模組及主機板製造經驗,並在多種應用中採用了Vicor合封電源元件,因而累積了豐富的設計專業技術。Kyocera可透過其設計技術、模擬工具和製造經驗,為複雜的I/O布線、高速記憶體布線和大電流供電提供最佳設計。總而言之,透過這次的合作,Kyocera和Vicor將提供人工智慧(AI)及高效能處理器應用所需的全新解決方案。
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