gesponsertDie Power von 48 V Bedeutung, Vorteile und Grundlagen für Anwendungen auf Systemebene

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Aufgrund ihrer Vielseitigkeit und Kompatibilität mit bestehender Infrastruktur gilt die 48-V-Versorgungsspannung in vielen Anwendungen als unverzichtbar. Historisch gesehen, wurde in Stromverteilungssystemen überwiegend standardmäßige 12- oder 24-V-Spannungspegel genutzt. Die steigenden Anforderungen moderner Geräte hinsichtlich geringer Leistungsaufnahme haben zusammen mit dem Wunsch nach energieeffizienteren Systemen und größerer Energieeinsparung den Einsatz höherer Versorgungsspannungen wie 48 V vorangetrieben.

Energieeffiziente Lösungen unterliegen in Rechenzentren, wo enorme Supercomputer-Performance gebündelt wird, einer hohen Nachfrage. Die 48-V-Versorgungsspannung ist ein attraktiver Kompromiss zwischen Leistungsübertragungseffizienz und Wandlungsverlusten. Eine höhere Spannung verringert die Verluste bei der Leistungsverteilung und senkt somit den gesamten Energieverbrauch.

Die 48-V-Versorgungsspannung bietet auch Vorteile für die Automobilindustrie, insbesondere bei Elektrofahrzeugen (EVs). Der Wunsch nach leistungseffizienteren Lösungen wächst, da in Elektrofahrzeuge immer mehr fortschrittliche Funktionen und elektrisch betriebene Subsysteme integriert werden. Die 48-V-Architektur verbessert die Energierückgewinnung während des regenerativen Bremsens und erleichtert die Integration von High-Power-Komponenten wie elektrische Servolenkung und von fortschrittlichen Fahrerassistenzsystemen.

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Vorteile einer 48-V-Versorgungsspannung

Die Vorteile beim Einsatz einer 48-V-Versorgungsspannung reichen von erhöhter Effizienz bis hin zu mehr Flexibilität bei der Entwicklung. Wichtige Vorteile sind:

• Geringere I²R-Verluste: Widerstands- oder Kupferverluste (I²R-Verluste) in Leistungsverteilungssystemen können die Effizienz stark beeinträchtigen. Gegenüber Systemen mit niedrigeren Spannungen fließt bei der 48-V-Versorgungsspannung bei einer bestimmten Leistung weniger Strom. Dadurch werden die I²R-Verluste bei der Übertragung verringert, woraus eine höhere Gesamteffizienz des Systems resultiert.

• Höhere Leistungsdichte: Gegenüber Systemen mit niedrigeren Spannungen erlaubt die 48-V-Versorgungsspannung den Einsatz von kleineren Leitern und Komponenten für die Übertragung der gleichen Leistung. Dies entspricht einer höheren Leistungsdichte, die kompaktere Designs ermöglicht, insbesondere bei Anwendungen mit begrenztem Platzangebot.

• Verbesserte Spannungsregelung: Höhere Spannungspegel ermöglichen naturgemäß eine bessere Spannungsregelung. Bei Anwendungen, die empfindlich auf Spannungsschwankungen reagieren, ist dies von entscheidender Bedeutung. Um einen zuverlässigen Betrieb aufrechtzuerhalten, verlangen Industrieautomatisierungs- und Kommunikationssysteme häufig konstante und gut geregelte Spannungspegel.

• Design-Flexibilität: Die 48-V-Versorgungsspannung eröffnet zusätzliche Entwicklungsmöglichkeiten, wie beispielsweise die Integration mehrerer Teilsysteme mit unterschiedlichen Spannungsbedarfen. Auch können Motoren, Sensoren und Kommunikationsschnittstellen parallel im selben System bestehen.

Kompatibilität mit erneuerbarer Energie

Die 48-V-Versorgungsspannung passt gut zur Ausgangsspannung von Solarpanels in Systemen für erneuerbare Energien wie Solaranlagen. Diese Interoperabilität vereinfacht die Einbindung umweltfreundlicher Energiequellen in bestehende Versorgungssysteme.

Grundlagen der Implementierung einer 48-V-Versorgungsspannung

Bei der Implementierung einer 48-V-Versorgungsspannung sind bestimmte Aspekte zu berücksichtigen, um deren Vorteile voll auszuschöpfen. Im Folgenden wird dies aus der Perspektive von Anwendungen auf Systemebene sowie in Industrie- und Kommunikationsapplikationen betrachtet.

Effiziente Spannungswandlung

Eine Spannung von 48 V wird immer beliebter. Allerdings können nicht alle Geräte und Bauteile diese Spannung direkt verarbeiten. Effiziente Spannungswandlungsmethoden, beispielsweise DC/DC-Wandler, müssen die 48-V-Spannung für Subsysteme, die mit niedrigeren Versorgungsspannungen arbeiten, herabsetzen (Bild 1).

Wärmemanagement

Durch höhere Spannungspegel in der Batterie-Backup-Einheit (BBU) in Bild 2 und im Quarter-Brick-Referenzdesign kann mehr Verlustwärme entstehen. Wärmemanagementkonzepte mit Kühlkörpern oder Lüftern sowie Überlegungen zum thermischen Design sind entscheidend für die Langlebigkeit und Zuverlässigkeit von 48-V-Bauteilen.

Sicherheitsmaßnahmen

In jedem elektrischen System ist die Sicherheit von größter Bedeutung. Obwohl eine Versorgungsspannung von 48 V nicht außergewöhnlich hoch ist, erfordert sie angemessene Sicherheitsvorkehrungen wie Schaltkreisschutz, Isolationsbarrieren und Erdung, um mit Stromausfällen verbundene Risiken zu verhindern. Ein Beispiel für eine Isolationsbarriere ist die in Bild 3 gezeigte galvanische Trennung zwischen 48- und 12-V-Systemanwendungen. Der ADM2561E kommt in den Batterie-Backup-Modulen mit Modbus-Protokoll zum Einsatz und sorgt für eine isolierte Kommunikation zwischen den BBU-Modulen und dem BBU-Shelf.

Kommunikationsprotokolle

In modernen Industrie- und Kommunikationsanwendungen spielt Interoperabilität eine zentrale Rolle. Die Implementierung standardisierter Kommunikationsprotokolle gewährleistet einen reibungslosen Datenaustausch zwischen Subsystemen, die mit 48 V betrieben werden, und erhöht so die Effizienz des Gesamtsystems. Das Open-Compute-Projekt (OCP) treibt die Einführung neuer Architekturen für Rechenzentren voran. Die Organisation stellt ein komplettes Architekturdesign für Leistungsgleichrichter, BBU, Netzwerk, Speicher und Server des 48-V-Systems zur Verfügung (Bild 4).

Überwachung und Steuerung

Für eine optimale Systemleistungsfähigkeit müssen Spannungspegel, Stromfluss und Temperatur konstant und in Echtzeit überwacht werden. Intelligente Steuerungssysteme ermöglichen ein proaktives Management dieser Parameter.

Indem Echtzeit-Anpassungen nahtlos koordiniert werden, können diese Systeme nicht nur Fehler antizipieren, sondern auch den Weg frei machen für eine präventive Diagnose. Dies hebt die Effizienz und Zuverlässigkeit des Systems auf ein bisher nicht gekanntes Niveau.

Praktische Anwendungen

Die 48-V-Versorgungsspannung befindet sich in einer Vielzahl von Branchen und Technologien im Einsatz. Die folgenden Beispiele aus der Praxis sollen ihre Bedeutung aufzeigen:

Stromversorgungssysteme für die Telekommunikation

Für Telekommunikationsnetze als Eckpfeiler der modernen Gesellschaft ist eine konsistente und zuverlässige Stromversorgung unabdingbar. Die 48-V-Architektur erweist sich als wichtige Voraussetzung für Zuverlässigkeit und Effizienz in diesem Bereich und verändert die Landschaft der Stromversorgungssysteme für die Telekommunikation (Bild 5). Diese Systeme, die für die weltweite Kommunikation zuständig sind, erfordern eine Stromversorgungsinfrastruktur, die regionalen Schwankungen und unerwarteten Ausfällen standhält.

Die eigentliche Genialität der 48-V-Architektur liegt jedoch in ihrer Fähigkeit, geografische Grenzen zu überwinden. Die 48-V-Architektur bleibt auch in entlegenen oder in von Katastrophen heimgesuchten Gebieten mit nicht oder nur unzureichend vorhandener Stromversorgungsinfrastruktur vorteilhaft. Sie wird zum Rettungsanker für Kommunikationsdienste, da sie auch angesichts schwieriger Situationen eine zuverlässige Stromversorgung bietet. Die eigentliche Langlebigkeit der Architektur sorgt dafür, dass von der Außenwelt abgeschnittene Menschen in Notfällen erreichbar bleiben und die Entwicklung des ländlichen Raumes durch eine bessere Anbindung gefördert wird.

Elektrische Antriebe in der Industrieautomatisierung

Präzision und Effizienz spielen in der Industrieautomatisierung eine entscheidende Rolle. In dieser dynamischen Landschaft glänzt die 48-V-Stromversorgung besonders und versorgt eine breite Palette kritischer Komponenten, von Elektromotoren und Förderbändern bis hin zu Roboterarmen. Der 48-V-Spannungspegel schafft die Voraussetzung für eine höhere Leistungsdichte und eine optimierte Steuerung, koordiniert fehlerfreie Abläufe und reduziert zugleich die Energieverluste. Dies alles treibt die Industrieautomatisierung auf ein noch nie da gewesenes Leistungsniveau.

Hybride Stromversorgungssysteme

Hybride Stromversorgungssysteme ermöglichen im ländlichen Raum sowie in netzfernen Gebieten, in denen der Anschluss an das herkömmliche Stromversorgungsnetz schwierig ist, die Bereitstellung von elektrischer Energie. Diese hochmodernen Systeme kombinieren erneuerbare Energiequellen, vor allem Sonnenkollektoren, mit modernen Energiespeichern und bieten eine zuverlässige und nachhaltige Stromversorgungslösung.

In diesem Szenario ist die Kompatibilität der 48-V-Versorgungsspannung mit der Leerlaufspannung von Photovoltaikmodulen von entscheidender Bedeutung, um die Lücke zwischen der von den PV-Modulen gelieferten Energie und den Anforderungen der verschiedenen Anwendungen effizient zu schließen.

Die 48-V-Versorgungsspannung ist optimal auf den Spannungsbereich der PV-Module abgestimmt und ermöglicht eine effiziente Energiewandlung und -verteilung. Die Kompatibilität macht die Wandlung von hohen Spannungen, die eine der Hauptursachen für Energieverluste, Ineffizienzen und höhere Kosten sind, überflüssig. Die 48-V-Architektur optimiert die Energiegewinnung durch die präzise Anpassung an die PV-Ausgänge, so dass die von der Sonne erzeugte Energie mit minimalem Verlust direkt in das System gelangt.

Darüber hinaus unterstreicht die Anpassung der 48-V-Versorgungsspannung an die Solarerträge die Kosteneffizienz von hybriden Stromversorgungssystemen. Die vereinfachte Spannungswandlung macht anspruchsvolle und kostspielige Komponenten überflüssig und senkt somit die Installations- und Wartungskosten. Die Kostenreduzierung verändert die Situation von nicht an das Stromnetz angeschlossene Gemeinden und Unternehmen erheblich und macht erneuerbare Energien sowohl zugänglich als auch wirtschaftlich realisierbar.

Elektrofahrzeuge

Der Einsatz des in Bild 6 gezeigten 48-V-Designs in Elektrofahrzeugen ist ein strategischer Schritt mit zahlreichen Vorteilen. Dieses Spannungsparadigma ist entscheidend für die Optimierung der Energieverteilung in den Subsystemen des Fahrzeugs.

Abgesehen von ihrer Rolle bei der Energieverteilung eröffnet die 48-V-Architektur den Zugang zu einer Reihe neuartiger Funktionen, wie beispielsweise regeneratives Bremsen mit Rückgewinnung von Energie.

Ferner schafft die 48-V-Architektur die Voraussetzung von zahlreichen Hilfssystemen, die für den Reisekomfort und das Reisevergnügen der Insassen unerlässlich sind, darunter fortschrittliche HLK-Systeme (Heizung, Lüftung und Klimaanlage) und hochmoderne Multimedia-Geräte.

Die 48-V-Architektur bildet die Basis für ein umfassendes Konzept bei der Entwicklung von Elektrofahrzeugen, welches nicht nur die Energiebilanz optimiert, sondern auch das Fahrerlebnis insgesamt verbessert und für besondere Annehmlichkeiten im Fahrzeuginnenraum sorgt.

Eine 48-V-Versorgungsspannung in Systemanwendungen hat mehrere Vorteile. Allerdings ist es wichtig, auch mögliche Nachteile zu kennen.

Zu berücksichtigende Nachteile:

• Komponentenkompatibilität und Verfügbarkeit: Der Umstieg auf eine Versorgungsspannung von 48 V erfordert eine sorgfältige Bewertung der vorhandenen Systemkomponenten. So müssen eventuell bestimmte Bauteile ersetzt oder angepasst werden. Ein mögliches Problem ist zum Beispiel, dass Bauteile, die mit der angegebenen Nennspannung kompatibel sind, eventuell nicht in ausreichender Stückzahl verfügbar sind. Dadurch könnten höhere Beschaffungspreise sowie möglicherweise Verzögerungen bei der reibungslosen Integration des Systems entstehen. Dies unterstreicht die Bedeutung einer strategischen Planung von Beschaffung von Lösungen (Bild 7).

• Design-Komplexität: Die Einführung einer 48-V-Versorgungsspannung erhöht häufig die Komplexität des Designs. Bei der Implementierung ist es typischerweise erforderlich, sich mit komplexen Design-Fragen zu befassen. So zum Beispiel mit präziser Spannungsregelung, sorgfältig überlegter Wärmemanagementstrategien und robusten Sicherheitsstandards. Die höhere Komplexität kann die Entwicklungszeit verlängern und hochqualifizierte Mitarbeiter mit tiefgreifenden technischen Kenntnissen erfordern. Gut vorbereitete und qualifizierte Designteams sind daher unabdingbar.

• Höhere spannungsbedingte Risiken: Eine Spannung von 48 V ist zwar nicht außergewöhnlich hoch, verkörpert aber dennoch ein mögliches Sicherheitsproblem. Vor allem, wenn grundlegende Sicherheitsvorkehrungen nicht angemessen getroffen werden. Ein höherer Spannungspegel kann das Risiko eines elektrischen Schlags und anderer Gefahren erhöhen und erfordert deshalb strenge Sicherheitsvorkehrungen.

• Erhöhte Wandlungsverluste: Zusätzliche Wandlungsstufen, die erforderlich sind, um Bauteile mit niedrigeren Spannungspegeln zu versorgen – beispielsweise Sensoren oder Low-Power-Bauteile – können die Energieverluste in Systemen erhöhen. Dadurch wird ein Teil der Verbesserungen der Energieeffizienz, die durch eine 48-V-Versorgungsspannung möglich sind, zunichtegemacht.

• Begrenzte Akzeptanz in bestehenden Systemen: Bei bisherigen Systemen für niedrigere Spannungen muss die Umstellung auf eine 48-V-Versorgungsspannung realistisch betrachtet werden. Der Umstieg auf 48 V könnte Nachteile mit sich bringen, welche die höhere Versorgungsspannung sowohl unpraktisch als auch finanziell prohibitiv machen. Die Umstellung bestehender Infrastrukturen auf den 48-V-Standard kann eine komplexe und zeitaufwändige Aufgabe sein, die erhebliche Anpassungen und eine strategische Planung erfordert, um Kompatibilität und optimale Leistungsfähigkeit zu gewährleisten.

Größen- und Platzbeschränkungen

48 V ermöglichen zwar eine höhere Leistungsdichte aufgrund geringerer Stromstärken, sind aber für Anwendungen mit Größen- und Platzbeschränkungen möglicherweise nicht geeignet. Zusätzliche Isolierungsmaßnahmen und Sicherheitsvorkehrungen können größere Bauteile erforderlich machen (Bild 8).

Erhöhte elektromagnetische Störungen (EMI)

Höhere Spannungspegel sind ein erhebliches Problem im Hinblick auf elektromagnetische Störungen (EMI), die den reibungslosen Betrieb empfindlicher Bauteile und komplexer Kommunikationsnetze beeinträchtigen können. Daher sind zusätzliche Abschirmungen und wirkungsvolle Filtertechniken erforderlich, um die negativen Auswirkungen elektromagnetischer Störungen wirksam zu unterdrücken und die kontinuierliche Leistungsfähigkeit wichtiger Systeme sicherzustellen.

Herausforderungen bei der Skalierung

Eine Versorgungsspannung von 48 V ist für viele Anwendungen eine vernünftige Wahl. Dies gilt jedoch nicht in allen Fällen. Manche Anwendungen, insbesondere solche mit höherem Leistungsbedarf, können alternative Spannungsdesigns erforderlich machen, um spezifische Anforderungen zu erfüllen.

Kostenüberlegungen

Der Umstieg auf eine 48-V-Versorgungsspannung erfordert eine sorgfältige Abwägung der Vorlaufkosten, beispielsweise für den Austausch von Bauteilen, die Koordinierung der Systementwicklung und die Implementierung wichtiger Sicherheitsmaßnahmen.

Die anfänglichen Ausgaben können sich spürbar auf das Gesamtbudget des Projekts auswirken und je nach Anwendung und Branche steigen. Die sinnvolle Zuweisung von Ressourcen angesichts der potentiellen Kosten ist entscheidend für die reibungslose Integration und letztendlich für den Erfolg des Vorhabens.

Schlussbemerkung

Die 48-V-Versorgungsspannung hat sich in Anwendungen auf Systemebene sowohl in der Industrie, als auch in der Kommunikation von einer Nischenoption zu einem wesentlichen Eckpfeiler entwickelt. Die Bedeutung von 48 V und die damit verbundenen Vorteile wie höhere Effizienz und Leistungsdichte sowie Designflexibilität wird durch die wachsende Nachfrage nach energieeffizienten Lösungen unterstrichen.

Für eine erfolgreiche Implementierung sind eine effektive Energiewandlung, ein wirkungsvolles Wärmemanagement, robuste Sicherheitsvorkehrungen, standardisierte Kommunikationsprotokolle sowie ausgeklügelte Überwachungs- und Steuerungssysteme erforderlich.

Während sich das Technikumfeld weiterentwickelt, bleibt die 48-V-Versorgungsspannung ein entscheidender Wegbereiter für Innovationen in verschiedenen Branchen und bietet eine von Effizienz und Zuverlässigkeit geprägte Zukunft.

Ferner sollten Entwickler oder Applikationsingenieure die jeweils bedeutenden Vorteile der 48-V-Versorgungsspannung in Systemanwendungen prüfen und sich deren möglichen Nachteile bewusst sein. Für eine fundierte Entscheidung über die Nutzung des 48-V-Spannungspegels in einer bestimmten Anwendung sind die Kompatibilität der Bauteile, die Komplexität des Designs, Sicherheitsvorkehrungen, Energiewandlungsverluste und die damit verbundenen Kosten zu berücksichtigen. 

Literatur:

[1] Brad Xiao und Nazzareno Rossetti. “Handling the 48-to-12-V Stepdown.” Power Electronics Tips, Februar 2021.

[2] Christian Cruz, Gary Sapia und Marvin Neil Cabueñas. “Smart Battery Backup for Uninterrupted Energy Part 1: Electrical and Mechanical Design.” Analog Dialogue, Vol. 57, No. 4, Dezember 2023.

[3] Anant Kamath. “Simplify Isolated CAN, Power Interfaces for HEV 48-V Systems.” Electronic Design, April 2019.

[4] Glenn Charest, Steve Mills und Loren Vorreiter. “Open Rack V3 Base Specification.” Open Compute Project, September 2022.

[5] “Power Supplies for Telecom Systems.” Analog Device, Inc., Juli 2002.

[6] “48V Buck Converter Helps MHEVs Meet Fuel Emission Standards.” Analog Devices Inc., März 2020.

[7] “Is It Essential to a Data Center? The Reasons Why a 48V Power Supply Is Required and the Challenges of Power Supply Design.” Panasonic Industry, August 2021.

* Christian Cruz ist Staff Applications Development Engineer bei Analog Devices Inc. auf den Philippinen.