衛(wèi)星運(yùn)營商提供越來越高級的板載處理功能，需要使用最新的超深亞微米 FPGA 和 ASIC。這些器件具有要求嚴(yán)苛、低電壓、大電流、高功率需求，OEM 廠商正面臨著從更小有效載荷及平臺提供更多功能的挑戰(zhàn)。成本和上市時(shí)間也是重要的驅(qū)動因素！

相對而言，衛(wèi)星越小，獲得的能量就越少，隨著運(yùn)營商越來越多地使用更快、更多的機(jī)載處理，需要為有效載荷提供盡可能多的電源預(yù)算。傳統(tǒng)配電架構(gòu)包含一款隔離式 DC-DC 降壓產(chǎn)品，為外部母線輸入降壓，緊隨其后的是本地化 POL，產(chǎn)生所需的負(fù)載電壓，由于 I2R 壓降很大，因此效率太低。要完成新一代 新太空 任務(wù)，需要在轉(zhuǎn)換損耗、功率密度、物理尺寸以及與最新超深亞微米器件的開關(guān)速度相配的瞬態(tài)響應(yīng)方面改進(jìn)。

Vicor 公司榮獲專利的分比式電源架構(gòu) (FPA) 采用模塊化方法取代常規(guī)中間配電，它包含一個(gè)隔離式 DC-DC 產(chǎn)品，后接降壓磚型產(chǎn)品，可最大限度降低 I2R 配電損耗，最大限度提高效率并可改善瞬態(tài)響應(yīng)。

FPA 由兩個(gè)階段組成：先穩(wěn)壓，隨后變壓。首先，升降壓拓?fù)溆糜趶耐獠侩娫瓷?48V 中間電壓，其明顯高于通常輸入 POL 的較低的原有母線。例如，功率相同 (P = VI) 時(shí)，48V 輸出母線需要的電流是 12V 中間母線的 1/4，PDN 損耗等于該電流的平方 (P = I2R)，因此其可降低至原來的 1/16 。首先放置一款穩(wěn)壓器來產(chǎn)生 48V 電壓，可實(shí)現(xiàn)最高效率，從而可幫助較小的衛(wèi)星充分利用更多能源。

FPA 的第二階段使用變壓器將 48V 中間電壓變成所需的負(fù)載電壓，例如 1V。輸出是輸入的固定比例（K 因數(shù)），由匝數(shù)比定義。逐步降低電壓，會讓電流相應(yīng)增加，例如，一個(gè) 1A 的輸入電流將乘以 48A 的輸出電流：

一個(gè)預(yù)穩(wěn)壓模塊 (PRM) 和一個(gè)變壓模塊 (VTM) 電流倍增器結(jié)合在一起，就會得到該 FPA，每個(gè)器件都履行其特殊的職責(zé)，將實(shí)現(xiàn)完整的 DC-DC 轉(zhuǎn)換。PRM 從一個(gè)后接 VTM 的未穩(wěn)壓輸入生成一個(gè)穩(wěn)壓的“分比式母線”，VTM 會將 48V 逐步變壓為所需的負(fù)載電壓。

VTM 的高帶寬無需大型負(fù)載點(diǎn)電容。即使沒有任何外部輸出電容器，VTM 的輸出在應(yīng)對突然出現(xiàn)的功率激增時(shí)對電壓的擾動也非常有限。極少的外部旁路電容（低 ESR/ESL 陶瓷電容器的形式）足以消除任何瞬態(tài)電壓過沖。VTM 沒有對內(nèi)部控制環(huán)路強(qiáng)制實(shí)行帶寬限制以維持穩(wěn)壓，而是提供獨(dú)特的電容倍增特性。例如，當(dāng)使用 1/48 K 因數(shù)時(shí)，有效的分流輸出電容是輸入電容的 2304 倍，即 CSEC = CPRI * K2。也就是說，不僅顯著減少了 VTM 下游所需的去耦，而且其輸入端僅少量的電容所提供的能量存儲將與通常為傳統(tǒng) 1V 輸出降壓磚形產(chǎn)品添加的大型鉭所提供的能量一樣，如圖 1 所示。

低阻抗是為低電壓、大電流負(fù)載高效供電的重要要求，使用 VTM 也可減少 K2 在二次側(cè)遇到的有效電阻。這使得 VTM 可橫向或縱向地布置在負(fù)載位置，實(shí)現(xiàn)損耗較低的 PDN。FPA 較低電流、較高電壓的中間母線意味著，PRM 可以在物理上遠(yuǎn)離 VTM，而不影響效率。在決定將 PRM 放在哪里時(shí)，這將為您帶來更高的靈活性，減少對負(fù)載位置的區(qū)域擁塞問題的擔(dān)心，更自由的調(diào)節(jié)功率層的尺寸以適應(yīng)最大的電流密度。這種平面布置與傳統(tǒng)磚型產(chǎn)品方案差別很大，磚型產(chǎn)品方案需要將隔離式 DC-DC 組件與 POL 靠得很近以最大限度降低 I2R 配電損耗。

圖 1: 這些圖展示了 FPA 與傳統(tǒng)中間架構(gòu)的對比。

目前的航天級隔離式 DC-DC 產(chǎn)品和降壓 POL 都是基于 PWM 的器件，其輸出功率與開關(guān)頻率的占空比成正比。這些硬開關(guān)轉(zhuǎn)換器使用方波驅(qū)動電感或變壓器， MOSFET 在開通和關(guān)斷過程中損耗能量。方波包含大量諧波，必須將其過濾掉，否則它們就會在整個(gè)系統(tǒng)中傳導(dǎo)或輻射。VTM 的拓?fù)湓谝淮卫@組中使用正弦電流，可產(chǎn)生更干凈的輸出噪聲頻譜，因此需要的濾波較少?，F(xiàn)有航天級降壓穩(wěn)壓器和正反激 DC-DC 產(chǎn)品所指定的效率范圍分別在 67 — 95% 之間以及 47 — 87% 之間。

現(xiàn)在有 12 家航天級開關(guān) POL 供應(yīng)商，可提供近 30 種非隔離轉(zhuǎn)換器。輸入電壓為 3 ~ 16V，負(fù)載電壓為 0.785 ~ 9.6V，電流為 4 ~ 18A，開關(guān)頻率從 100kHz 至 1MHz 不等。我在前面介紹了降壓拓?fù)涞霓D(zhuǎn)換理論、選擇航天級部件時(shí)要考慮的標(biāo)準(zhǔn)以及如何選擇電感、輸入和輸出電容的值。

目前有 7 家航天級隔離 DC-DC 產(chǎn)品廠商，提供 30 多個(gè)系列的部件，既可產(chǎn)生單重、雙重或三重標(biāo)準(zhǔn)的電壓，在某些情況下，也可產(chǎn)生可調(diào)、穩(wěn)壓、降壓中間輸出。功率額定值從 2.5 至 500W 不等。前面我介紹過正反激拓?fù)涞霓D(zhuǎn)換理論。

為了滿足未來 新太空星座的配電及低電壓、大電流需求，Vicor 正在對其新穎的正弦振幅轉(zhuǎn)換器 (SAC) 拓?fù)溥M(jìn)行優(yōu)化，以滿足航天應(yīng)用的需求。與現(xiàn)有航天級 DC-DC 產(chǎn)品相比，這種榮獲專利的 ZCS/ZVS 技術(shù)可提供更高的效率、更大的功率密度以及更低的 EMI 輻射。SAC 是一種基于變壓器的串聯(lián)諧振正激架構(gòu)，其工作頻率是固定的，與諧振腔的諧振頻率相等，如圖 2 所示。

圖 2: 全橋 SAC 串行諧振拓?fù)浔痊F(xiàn)有航天級 DC-DC 產(chǎn)品更具優(yōu)勢。

一次側(cè)的 FET 固定工作在諧振頻率下，在零電壓條件下開通，不僅可消除功耗，而且還可提高效率。諧振時(shí)，電感和電容電抗相互抵消，可最大限度降低輸出阻抗，其可變成純電阻，降低壓降。所帶來的極低輸出阻抗允許 VTM 瞬間（不足 1μs）響應(yīng)負(fù)載的階躍變化。流過諧振腔的電流是諧波較低的正弦波，不僅可帶來更干凈的輸出噪聲頻譜，而且需要的負(fù)載電壓濾波也較少。

SAC 的正激拓?fù)淇蓪⑤斎肽芰總鬟f至輸出可最大限度降低初級線圈的泄漏電感，因?yàn)樗皇侵匾拇鎯υ?。SAC 正激拓?fù)涞莫?dú)特工作可通過更低的固有損耗實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)頻率以及對更小磁性材料的使用。由此帶來的效率提升意味著在轉(zhuǎn)換過程中浪費(fèi)的電源更少，這不僅可簡化熱管理，而且還允許從更小的封裝帶來更大的輸出電流以及更高的功率密度。更快的工作可更頻繁地將能量傳輸至輸出，從而可將動態(tài)負(fù)載變化的瞬態(tài)響應(yīng)改善至幾個(gè)周期。

Vicor 計(jì)劃將各種 DC-DC 產(chǎn)品送入軌道。波音公司已經(jīng)為一顆提供太空互聯(lián)網(wǎng)的 O3b 衛(wèi)星提供了部件，并消除了風(fēng)險(xiǎn)。最初將提供四款耐輻射 DC-DC 產(chǎn)品：

四款耐輻射 DC-DC 產(chǎn)品

■ 一款 300W，9A, 功率密度 849W/in3，隔離式 ZVS/ZCS，SAC 母線轉(zhuǎn)換器模塊 (BCM3423PA0A35C0S)，接受 94 至 105V 的 DC 電源，可輸出 31 至 35V 的固定負(fù)載電壓（為輸入的 1/3）。其封裝尺寸為 33.5 × 23.1 × 7.4 毫米，重量為 25.9 克，最高環(huán)境效率指定為 94%。

■ 一款 200W，7.7A，功率密度 797W/in3，非隔離式 ZVS 升降壓穩(wěn)壓器 (PRM2919P36B35B0S)，接受 30 至 36V 的輸入，可輸出 13.4 至 35V 的可調(diào)負(fù)載電壓。其封裝尺寸為 29.2 × 19.0 ×7.4 毫米，重量為 18.2 克，最高環(huán)境效率指定為 96%。

■ 一款 200W，50A，功率密度 1204W/in3，隔離式 ZVS/ZCS，SAC DC-DC 產(chǎn)品 (VTM2919P32G0450S)，接受 16 至 32V 的線路電圧，可輸出 2 至 4V 的固定負(fù)載電壓（為輸入的 1/8）。其封裝尺寸為 29.2 × 19.0 × 4.9 毫米，重量為 11 克，最高環(huán)境效率指定為 93%。

■ 一款 150W，150A，功率密度 903W/in3，隔離式 ZVS/ZCS，SAC DC-DC 產(chǎn)品 (VTM2919P35K01A5S)，接受 13.4 至 35V 的線路電圧，可輸出 0.42 至 1.1V 的固定負(fù)載電壓（為輸入的 1/32）。其封裝尺寸為 29.2 × 19.0 × 4.9 毫米，重量為 13.3 克，最高環(huán)境效率指定為 91%。

四款 DC-DC 產(chǎn)品都采用冗余系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，該架構(gòu)包含兩個(gè)支持容錯(cuò)控制的相同并行供電鏈，可充分滿足單事件效應(yīng) (SEE) 的需求。為了降低制造成本，部件采用電鍍環(huán)氧模壓樹脂 BGA 封裝，導(dǎo)熱性極好，帶有 SM?ChiP標(biāo)志，與標(biāo)準(zhǔn)表面貼裝、取放及回流裝配工藝兼容（圖 3）。這些 DC-DC 是 EAR99，指定溫度范圍為 -40 至 125°C，提供各種過壓、短路電流、欠壓和熱保護(hù)特性。目標(biāo)總劑量為 50kRad (Si)，SEE 和其它可靠性數(shù)據(jù)將在今年晚些時(shí)候發(fā)布?，F(xiàn)已開始提供產(chǎn)品說明書。此外，還可訂購定制的輸入輸出選項(xiàng)。

圖 3: Vicor 將提供這些新的 BCM、PRM 和 VTM 耐輻射 DC-DC 產(chǎn)品。

為了突出新的耐輻射 DC-DC 提供的優(yōu)越密度，圖 4 和圖 5 分別對其相對尺寸與現(xiàn)有的空間級開關(guān) POL 和隔離 DC-DC 進(jìn)行了比較。每個(gè)轉(zhuǎn)換器的功率密度（單位為W/in3）、效率（單位為 %）和電流密度（單位為 A/in2）分別用藍(lán)色、橙色和紅色標(biāo)注。通常針對不同的負(fù)載條件指定一系列效率，每個(gè)數(shù)據(jù)表的最大值如下所示。

圖 4: 本圖主要將航天級開關(guān) POL 與 VTM2919 DC-DC 產(chǎn)品對比。

圖 5: 本圖主要將航天級隔離式 DC-DC 產(chǎn)品與 BCM 及 PRM DC-DC 產(chǎn)品對比。

全新耐輻射 COTS SAC DC-DC 產(chǎn)品是 新太空應(yīng)用的創(chuàng)新及使能技術(shù)。與符合規(guī)定的現(xiàn)有轉(zhuǎn)換器相比，它們將采用更小、更輕的封裝，帶來輸出功率、密度和效率的大幅提升。穩(wěn)壓后的電壓明顯更干凈，批量去耦更少。從明年開始，部件將會面世，評估板將用來幫助您降低未來任務(wù)需求的風(fēng)險(xiǎn)。

FPA 是減少 I2R 配電損耗的一項(xiàng)重大進(jìn)步，可減少對現(xiàn)有中間電源架構(gòu)的限制。小電流、分比式母線可為放置 BCM和 PRM 帶來更大的自由度，使其遠(yuǎn)離通常很擁擠的負(fù)載區(qū)域。

一款模塊化的 100V PDN 解決方案現(xiàn)已開始提供，它可帶來 SWaP 優(yōu)勢，為最新超深亞微米航空級半導(dǎo)體供電。VTM 提供高性能的比率測量 DC-DC 解決方案，與 PRM 結(jié)合，可利用高壓分比式母線的效率優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)完整的閉環(huán) FPA（圖 6）。

圖 6: 航空電子設(shè)備現(xiàn)有一種模塊化 100V 配電解決方案。

審核編輯 ：李倩