應(yīng)對(duì)當(dāng)今 LEOMEO 衛(wèi)星的功率挑戰(zhàn)

當(dāng)前的衛(wèi)星通信基礎(chǔ)設(shè)施無(wú)法滿足全球?qū)煽?、高速寬帶接入的迫切需求。這一差距的存在推動(dòng)了低地球軌道 (LEO) 和中地球軌道 (MEO) 通信衛(wèi)星星座的快速創(chuàng)建、發(fā)展和實(shí)施。

這些衛(wèi)星簡(jiǎn)化了全球互聯(lián)網(wǎng)接入，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)地球觀測(cè)，極大地改變了連接和數(shù)據(jù)傳輸。然而，在實(shí)現(xiàn)深刻變革的過(guò)程中，它們面臨著一個(gè)巨大的障礙：電源管理。

低軌道衛(wèi)星的挑戰(zhàn)

與需要抗輻射組件并由龐大的太陽(yáng)能電池陣列供電的傳統(tǒng)地球靜止衛(wèi)星不同，LEO/MEO 衛(wèi)星在范艾倫帶內(nèi)的軌道內(nèi)運(yùn)行，其特點(diǎn)是日照有規(guī)律地波動(dòng)。這需要能夠?qū)崿F(xiàn)高功率轉(zhuǎn)換效率的耐輻射電力電子設(shè)備。

此外，衛(wèi)星設(shè)計(jì)趨向于小型化，這也給電力分配帶來(lái)了新的困難。為了充分利用可用空間，工程師需要設(shè)計(jì)出既緊湊又堅(jiān)固的系統(tǒng);也就是說(shuō)，能夠控制電力流動(dòng)，同時(shí)將重量和體積保持在最低限度。

由于缺乏地球磁場(chǎng)，衛(wèi)星在偏轉(zhuǎn)高能粒子方面也面臨挑戰(zhàn)。此外，由于缺乏地球空氣屏障，太空系統(tǒng)容易受到高水平的波和粒子輻射的影響，這有可能導(dǎo)致組件故障并可能危及系統(tǒng)的完整性。另一個(gè)挑戰(zhàn)來(lái)自散熱，因?yàn)閷?duì)流冷卻過(guò)程在太空中并不有效，因此限制了通過(guò)傳導(dǎo)將熱量傳遞到輻射表面。

粒子輻射會(huì)造成物理?yè)p害，即對(duì)半導(dǎo)體晶體的晶格造成損害，這種損害可能是永久性的，也可能是累積性的。可以觀察到暫時(shí)的擾動(dòng)，其中電子被傳輸?shù)胶谋M區(qū)，導(dǎo)致非導(dǎo)電區(qū)域?qū)щ?。?dāng)正離子取代晶體基質(zhì)中的摻雜原子時(shí)，可能會(huì)發(fā)生故障，導(dǎo)致半導(dǎo)體在不期望的地方出現(xiàn)導(dǎo)電行為，最終對(duì)設(shè)備造成不可逆轉(zhuǎn)的損害。

Vicor 的電源解決方案

Vicor 耐輻射電源模塊系列旨在提供低噪音、高功率和電流密度、可靠性和可擴(kuò)展性，以緊湊的外形為 LEO 和 MEO 衛(wèi)星供電。該解決方案不僅依賴于可擴(kuò)展電源模塊，還依賴于專有電源架構(gòu)和拓?fù)鋪?lái)實(shí)現(xiàn)最佳性能。

“我們利用專有的分比電源架構(gòu) (FPA) 為 LEO 和 MEO 衛(wèi)星設(shè)計(jì)了耐輻射電力輸送網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于這些衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，節(jié)省空間顯然至關(guān)重要，”Renola 說(shuō)道。

Vicor 供電網(wǎng)絡(luò) (PDN) 采用內(nèi)部冗余電源模塊，可實(shí)現(xiàn)業(yè)內(nèi)最佳功率和電流密度。此外，其架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)非常靈活且可擴(kuò)展(圖 1)。

Vicor 的專利耐輻射電源模塊解決方案已被波音公司 O3b 計(jì)劃(O3b 代表“其他 30 億人”)采用，該計(jì)劃采用針對(duì)低地球軌道 (LEO) 衛(wèi)星的模塊化方法，旨在將可靠的高速寬帶連接擴(kuò)展到世界各地，特別是那些無(wú)法或只能有限使用高速互聯(lián)網(wǎng)的人們。

在建造 O3b 等低地球軌道衛(wèi)星時(shí)遇到的一個(gè)重大障礙是，如何提供足夠的電力來(lái)維持高耗能的現(xiàn)代通信電路，同時(shí)盡量減少配電網(wǎng)絡(luò)的尺寸和質(zhì)量。電源解決方案還必須具有靈活性和可擴(kuò)展性，以有效處理后續(xù)迭代中任何意外的設(shè)計(jì)變更或修訂。

“最新的亞微米專用集成電路 (ASIC) 或現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列 (FPGA) 需要在低電壓下提供極高的電流。三模塊解決方案(BCM®、PRM? 和 VTM?)的 Vicor 分比式電源架構(gòu) (FPA?) 非常緊湊且靈活。使用這些模塊的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是它們可以分比 PDN，并且在設(shè)計(jì)中不需要彼此靠近。BCM 可以位于電源附近，而噪聲極低的 VTM 可以盡可能靠近 ASIC 或 FPGA 放置，以減少 I 2 R 損耗，”Renola 說(shuō)道。

Vicor 電源到負(fù)載點(diǎn) (PoL) 解決方案包括以下電源模塊：

· BCM3423，一款標(biāo)稱電壓為 100V、功率為 300 瓦的 K = 1/3 總線轉(zhuǎn)換器，采用 34mm x 23mm 封裝

· PRM2919，一款 33V 標(biāo)稱 200 瓦降壓-升壓穩(wěn)壓器，采用 29mm x 19mm 封裝

· 兩個(gè) VTM2919 電流倍增器，電壓變換為 K = 1/32，輸出為 150A 時(shí)的 0.8V，以及 K = 1/8，輸出為 50 安培時(shí)的 3.3V。

使用 28V 電源輸送的替代衛(wèi)星 PDN 可以使用 Vicor 28V IN(22 – 40V)FPA 解決方案。

該抗輻射和容錯(cuò)模塊化解決方案能夠從 100V 標(biāo)稱電源為高達(dá) 300 瓦的低壓 ASIC 和 FPGA 供電，只需極少的外部元件，并且運(yùn)行噪音低。所有模塊均采用 Vicor 高密度 ChiP? 封裝，工作溫度為 -30 至 125°C。

Renola 表示： “Vicor 為其數(shù)據(jù)中心和 AI 處理器客戶采用了相同的架構(gòu)，通過(guò)更靠近處理器，可將高電流傳輸?shù)?PoL，并顯著降低主板 I2R功率損耗?！?

在太空應(yīng)用中，物理冗余也很重要，以確保如果一個(gè)系統(tǒng)發(fā)生故障，另一個(gè)系統(tǒng)可以接管。每個(gè) Vicor 模塊內(nèi)的冗余架構(gòu)可確保不受單事件干擾的影響。這是通過(guò)將兩個(gè)相同且并行的動(dòng)力系統(tǒng)與容錯(cuò)控制 IC 一起安裝在單個(gè)高密度 SM-ChiP 封裝中來(lái)實(shí)現(xiàn)的(圖 2)。

如果單一事件導(dǎo)致一個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)生故障，其保護(hù)電路將啟動(dòng)斷電復(fù)位。在復(fù)位期間，冗余動(dòng)力系統(tǒng)將承擔(dān)承載全部負(fù)載的責(zé)任，復(fù)位后，兩個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)將恢復(fù)并行運(yùn)行。

“我們?cè)谵D(zhuǎn)換器內(nèi)設(shè)計(jì)并構(gòu)建了物理冗余，以便我們有容錯(cuò)解決方案，”Renola 說(shuō)道。

低噪聲、零電壓和零電流開(kāi)關(guān)(ZVS 和 ZCS)

高功率密度和低噪聲是先進(jìn)通信衛(wèi)星的基本要求。為了降低噪聲，實(shí)施軟開(kāi)關(guān)等開(kāi)關(guān)模式(而不是硬開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器)可以有效降低系統(tǒng)對(duì)振鈴等寄生效應(yīng)的敏感性。這些效應(yīng)可能會(huì)增加開(kāi)關(guān)元件的電壓應(yīng)力。零電壓開(kāi)關(guān) (ZVS) 技術(shù)是軟開(kāi)關(guān)的一個(gè)典型例子，因?yàn)樗梢蕴岣吒鞣N電源拓?fù)涞霓D(zhuǎn)換效率。

Vicor 的軟開(kāi)關(guān)、高頻、零電流開(kāi)關(guān) (ZCS)/ZVS 功率級(jí)的使用有效地減輕了電源系統(tǒng)內(nèi)的噪聲基底，從而最大限度地減少了濾波需求。這反過(guò)來(lái)又增強(qiáng)了信號(hào)完整性和整體系統(tǒng)性能，同時(shí)確保了高水平的可靠性。Vicor 為 PRM 采用 ZVS 降壓-升壓架構(gòu)，而 BCM 和 VTM 采用 ZVS 和 ZCS 正弦振幅轉(zhuǎn)換器。