大多數(shù)工業(yè)控制系統(tǒng)都在24VDC電源軌上運行。選擇該電壓的原因很多,包括它足以供電給閥門、螺線管和繼電器,但又足夠低以確保安全觸摸。另外它是標準鉛酸蓄電池電壓,因此很容易導入備用冗余電源系統(tǒng)。24VDC電源軌供電,電纜的線損會比較大,因此它在高功率負載情況下的效率并不高:
直流電源電壓從24V增加到48V時總電流將減半,電纜損耗將減至四分之一,代表同一條電源電纜可以承受四倍的負載。
選擇24V而非48V作為標準工業(yè)電源電壓的主要原因是48V鉛酸電池又大又重,很難找到可以匹配如此高輸入電壓的DC/DC轉(zhuǎn)換器和穩(wěn)壓器。即使是24V電源也常常會下降到12V的總線電壓,為1V/2.5V/3.3V的低壓負載回路供電。
最近有兩項進展改變了整個局面,讓48V電源更具吸引力。
第一個改變形勢的是GaN HEMT。
這是一種新型的開關晶體管,開關速度比硅的技術快得多。如果使用100 kHz DC/DC降壓型轉(zhuǎn)換器來有效地將48V電源降壓至1.2V,電壓比率會是40:1。增加1%的負載調(diào)節(jié)能力,開關晶體管必須應付小于2. 5ns抖動的PWM信號。這是一般開關穩(wěn)壓器技術的極限但仍在GaN晶體管的規(guī)格范圍之內(nèi),因此得以現(xiàn)實48V至1V的轉(zhuǎn)換器。
48V至1V降壓型轉(zhuǎn)換器的PWM控制信號
第二種改變局勢的技術是輕混合動力電動汽車。
輕混合動力車就像是標準的汽車,配備燃油發(fā)動機和12V鉛酸電池,但也有一個額外的48V鋰離子電池和電驅(qū)動器。
車子前進后的一百米左右由48V電池為汽車提供純動力,因此可以使用更小、更高效的發(fā)動機以維持加速。這也就代表在頻繁啟動的交通中不會使用到燃油發(fā)動機。因此汽車制造商可以將此作為城市交通的最新能源效率標準,無須重新設計整輛車。
相較于12V系統(tǒng),48V電池還可以提供更高的峰值負載能力,因此可以供電給空調(diào)、動力轉(zhuǎn)向和渦輪增壓器,不會因為連接至發(fā)動機而不斷吸收電能。使用一些巧妙的控制算法可以大幅提高車輛的整體效率。
對于工業(yè)應用而言,這一切都意味著48V鋰離子電池將很快成為大量生產(chǎn)的低成本產(chǎn)品。由于鋰離子電池的尺寸比同等的鉛酸電池更小更輕,因此它們非常適合作為48V系統(tǒng)的備用電源存儲組件。
48V鉛酸蓄電池和48V鋰離子的主要區(qū)別是電壓等級。48V輸入DC/DC轉(zhuǎn)換器電源是傳統(tǒng)電信的標準,舊型鉛酸電池充電器輸出電壓范圍為18-75V。鋰離子電池組不得過度充電或深度放電以免損壞電池。LV148規(guī)范詳列出各種限制:
20kWh 48V鋰離子模塊
LV148 48V鋰離子電壓電平:一個有鋰離子備份的48V電源的DC/DC轉(zhuǎn)換器無需在4:1的輸入電壓范圍內(nèi)工作,但非常適合3:1的輸入范圍(20-60V)。此外,舊電信標準允許高達75VDC的輸入電壓,該電壓卻高于安全超低電壓(SELV)的60VDC限制。如果工業(yè)安裝可以采用SELV,那么就可以在布線、安裝和設備成本方面節(jié)省大量資金,這就是為什么以太網(wǎng)供電(PoE)的限制定在56VDC的原因。
綜上所述,在20-60V的 3:1輸入電壓范圍內(nèi)工作的DC/DC轉(zhuǎn)換器適合48V鋰離子電池電壓、24V、36V和48V的標準導軌穩(wěn)壓電源(±10%),以及PoE電源電壓。
RECOM的RS3-Z系列提供3W微型DC/DC模塊,高達3kV的隔離電壓,適用于新48V電源標準。轉(zhuǎn)換器可提供3.3V、5V、9V、12V、15V、±3.3V、±5V、±12V,以及±15V的調(diào)節(jié)輸出電壓,使用20V至60V的電源來為各種傳感器、監(jiān)視器、ADC、DAC和隔離數(shù)據(jù)總線供電。轉(zhuǎn)換器具有防潮和防塵的保護功能,可在-40°C至+85°C的環(huán)境溫度下工作,并獲得UL和EN認證,因此非常適合工業(yè)應用。
RECOM還推出一系列具有48V輸出,120W、240W或480W輸出功率的單相AC/DC 導軌安裝電源。這些轉(zhuǎn)換器可以提供高達150%瞬態(tài)過功率啟動負載,同時可以并聯(lián)以增加輸出電流。轉(zhuǎn)換器獲得完整的UL/IEC和EN認證,符合工業(yè)應用的要求。
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