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：P=I²R！

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……