Samtec漫谈 | 电气领域中的以小搏大/上篇

摘要前言​​数百年来工程师们始终在探索“以少求多或是以小博大” 的实现方式。从工业革命时期的铁甲舰到如今最先进的锂离子电池工程师们深知 “高效” 蕴含的价值。在电气领域这是一个公认的挑战。但正如一位著名苏格兰工程师所言“我们无法改变物理定律。” 我们必须遵循欧姆定律 该定律指出提高电路输出有两种途径要么增大电流要么提高电压。当然也可以两种方式并用但为便于举例说明我们先分别对两种方式展开分析。为更清晰地解释这一概念我们可以将电路与液压系统进行类比。调高某个旋钮有时你所需做的仅仅是调高某个“旋钮”……​提高系统吞吐量的第一种方法是降低系统电阻。在电路与液压系统这两个例子中实现这一目标的方式一致—— 增大导体或传导部件的尺寸。对于电路横截面积更大的电缆电阻会更低从而允许更大的电流通过。对于液压系统直径更大的管道能允许更多的水流通过。这两种方式的弊端也相似。在电路中导体通常为铜含铜量更高的粗导线重量会显著增加。而更粗的管道同样会更重不仅是管道壁本身重量增加其内部容纳的水的体积也会更大。重量一直是高效设计的“天敌”。举例某新型船舶的设计工作。该船舶长度达约150多米排水量超过8000吨。但客户仍对重量问题高度关注每减少1吨重量他们就愿意为此投入13万美元。对于如此庞大的船舶而言1吨的重量似乎微不足道但其背后的价值却凸显了 “减重” 的重要性。减少1吨重量意味着可多承载1吨有效载荷进而增加收益或是多携带1吨燃油。此外船舶重量更轻行驶所需的能耗也更低因此减少的每1吨重量都等同于效率的提升。如今汽车行业也面临着同样的重量难题。汽车上路已逾百年尽管其性能早已今非昔比但造车的核心方式却变化不大。每为汽车新增一套系统就必须额外增加一段导线和一组连接器。这不仅会增加车辆重量设计师们还面临着“无处安放这些系统”的空间困境。回归现实基础物理​如今越来越多的制造商开始采用48 伏电源以替代传统的12伏电源。要输出相同的功率将电压提高至原来的4倍电流便可相应降低至原来的1/4。回顾高中物理知识电路的功率损耗计算公式如下PI²R该公式表明电路中的损耗与电流的平方成正比。在任何系统中若电流翻倍损耗便会增至原来的4倍。以汽车领域为例将电压提升至48伏在输出相同功率的前提下电流可降至原来的 1/4此时导线的功率损耗会大幅降低 93%。电流降低后导线的线径也可相应减小。有预测显示这种方式最多可减少80%的导线重量。结合前文船舶设计的减重案例其核心逻辑一致每减少1盎司重量都能转化为1盎司的性能提升无论是增加有效载荷还是提高效率。不过设计中还需考虑另一个问题。若再次类比液压系统提高电压相当于通过“提高液压压力” 来增加输出的另一种方式。若不确保管道能承受额外压力就无法无限制地提高压力。对应到电路中当我们提高电压时必须加厚导线的绝缘层。但即便如此整体仍能实现显著减重 因为传统绝缘材料的密度远低于铜的密度。因此在电力传输领域“以小博大以少求多”是完全可以实现的目标。事实上这么做还能带来可量化的收益。小 结​​Samtec始终为设计师们提供支持助力他们重新探索电力传输的新方式同时还提供一系列在线工具可模拟电源触点在不同温度条件下的表现。下文便是取自ADM6交互式电源图表ADM6 Interactive Power Chart的示例。本次的漫谈系列上篇暂时告一段落在本系列文章的第二部分我们将探讨数据传输的工作原理以及如何在该领域实现“以小博大”。这可比把 “旋钮” 调高一点要复杂得多……请持续关注Samtec这只老虎吧。