為支持車輛自動駕駛、個性化車內體驗、更快充電速度及更長續航里程，下一代汽車正經歷多項重大架構變革。車輛輔助系統正轉向48V電壓，以解決線束重量與功耗方面的核心問題。
為支持車輛自動駕駛、個性化車內體驗、更快充電速度及更長單次充電續航里程，下一代汽車正經歷多項重大架構變革。為滿足日益增長的處理需求，車輛輔助系統正轉向48V電壓，以解決線束重量與功耗方面的核心問題。在相同功率水平下(P=VI)，電壓提高四倍，電流相應降低四分之一，從而顯著降低I2R損耗。更高電壓還允許使用更細線徑，進而減輕重量并節省原材料。
“隨著需處理的數據量增加，峰值功率提高了10倍，線束變得極重。在極端情況下，OEM廠商甚至需在生產過程中使用起重機將其安裝至車輛中。”Cirrus Logic汽車音頻放大器高級市場經理Dafydd Roche表示。Cirrus Logic是一家無晶圓廠公司，在模擬、混合信號及音頻DSP IC領域擁有豐富經驗。
Cirrus Logic公司汽車音頻放大器高級市場經理Dafydd Roche
Roche認為，向48V架構的轉變勢在必行，且不僅限于電動汽車。該趨勢與動力系統無關，其驅動力源于所有車型對邊緣傳感及人工智能處理能力日益增長的需求，同時亦有助于提升音頻質量。
Roche解釋道：“另一項重要架構變革是從完全分布式、單功能ECU架構過渡至高性能計算分區架構，這使車輛系統設計更具可擴展性，并進一步優化了車輛線束。”他闡述了基于車內物理“區域”、如今與車型無關的計算密集型汽車處理器在功能集成方面的優勢。
數據密集型邊緣傳感器(如視頻、雷達及激光雷達)及人工智能(AI)處理器，如今功耗高達以往的10倍，且能從海量數據流中產生近乎實時的推理結果。Roche表示：“在各區域運行更高電壓與更低電流可減輕重量并提高能效。”
48V電壓帶來更佳的散熱性能
Roche解釋了48V電壓的一項主要音頻優勢：“由于12V電壓極低，揚聲器阻抗最終會降至2Ω、3Ω及4Ω范圍。高功率峰值所需電流會顯著增加——某些情況下，單揚聲器電流甚至達10A或更多。這直接影響散熱性能，因散熱損耗主要由I2R決定。”
基于48V的系統使許多揚聲器能過渡至8Ω，其直接優勢亦體現在散熱性能上。例如，原本需10A電流驅動2Ω揚聲器的低音炮，現可采用8Ω阻抗。在此例中，對于相同輸出功率(及聲壓級，即SPL)，電流(I)變為原來的1/4。
由于傳導損耗與電流的平方成正比(即I2R)，這種平方效應使得熱損耗直接降至舊款12V@2Ω揚聲器的1/16。
要實現如此大幅度的電流降低，需使用更高阻抗揚聲器，而這正是為OEM廠商提供完整揚聲器及功放解決方案的一級供應商目前正著力解決的難題。
動態范圍優勢
Roche分享了48V架構的另一項主要優勢：更高動態范圍。“一級制造商已對48V應用進行內部研究，并證實更高電壓有助于實現更佳瞬態響應及更強勁音頻。”這使車載音頻擁有更寬動態范圍，從而帶來更清晰音質。
使用更高48V電源軌還可消除12V運行時所需的信號壓縮問題。“傳統上，放大器制造商不得不使用磚墻式限幅器及壓縮器，以避免用戶調高音量時出現信號削波失真及過熱影響。這會直接限制內容動態范圍，使音樂聽起來缺乏活力且沉悶。使用48V電源軌可為系統提供額外12dB動態裕量，使鼓聲及人聲真正穿透混音，并在車輛路噪中清晰可辨。”Roche說道。
更高電壓的挑戰
48V解決方案亦帶來自身設計挑戰，尤其在觸覺反饋及音頻應用中常見的D類放大器方面。傳統兩電平D類放大器在地線與電源軌之間切換，即便音樂音量最小亦是如此。這直接影響開關損耗，如導通/關斷損耗、柵極驅動充放電損耗、體二極管導通損耗、輸出電容(Coss)損耗等。
“放大器損耗不僅包括大功率輸出時的傳導損耗，還包括在整個功率輸出范圍內均產生重大負面影響的開關損耗(開關電壓)。”Roche說道。
他補充道：“若不在架構設計中解決此問題，從地線切換至48V電源軌會因各類開關損耗產生4至16倍額外熱量，這意味著放大器會過熱。”
Roche認為，解決該潛在問題的關鍵在于認識到，絕大多數時間放大器功率輸出遠低于峰值功率。“若播放如AC/DC樂隊的‘Back in Black’等搖滾樂，并將峰值功率設為40W，則放大器約93%的時間均以低于5W功率運行。通過優化低功率輸出，可更易提高音頻效率。”
“大多數傳統D類放大器數據手冊標明效率為90%或更高。然而，這指峰值功率下的90%效率，而峰值功率可能僅占總時間1%，故實際效率究竟如何？”Roche說道，“在移動領域，需同時標明1W輸出功率及峰值功率下的效率——這方能讓制造商對放大器靜態電流負責。隨著車載聲道數量增加，我們亦應開始在車載放大器中采用同樣標準。”
平衡延遲與效率
接下來需考慮延遲問題，而延遲往往與效率沖突。例如，業界最新一代集成DSP的D類放大器中使用的前瞻緩沖器，可控制電壓軌，防止音頻削波或失真。這有助于優化大功率及小功率模式下的效率。
Roche舉例說明，當系統從48V降壓至12V時，大鼓聲的產生需48V輸入。電源軌切換并非瞬時完成，需一定時間，這可能導致明顯聽覺失真。為避免此情況，使用了前瞻緩沖器；然而，其會增加約200ms延遲。由此產生的延遲與超低延遲應用不兼容，如道路噪聲消除(RNC)及個人音頻區域，在這些應用中，時間控制至關重要，需在噪聲到達前將降噪信號傳遞至人耳。
Roche反思道：“我花在研究48V過渡上的時間越多，越發意識到將音頻體驗升級至48V帶來的諸多益處，這些益處不僅惠及整車，亦提升了用戶體驗。”
對音頻設計師而言，打造更優質、更個性化、更具音樂性的體驗將成為可能。對工業設計師而言，過去被迫為大型散熱器預留空間及氣流的日子即將結束；而對采購及制造團隊來說，節省成本并減輕車內銅線重量亦變得比以往任何時候都更現實。
Roche表示：“這是一個激動人心的時代，變革將為能快速適應者帶來豐厚回報。”
(原文刊登于EE Times姊妹網站Power Electronics News，參考鏈接：How the Shift to 48V is Impacting Automotive Audio Design，由Franklin Zhao編譯。)
本文為《電子工程專輯》2026年7月刊雜志文章，版權所有，禁止轉載。免費雜志訂閱申請點擊這里。
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