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新型高密度电源解决方案助力实现全球互联

为了减少贫困,是否真的可让宽带普及到所有服务不足的社会阶层?在地面宽带不足的地方,卫星可提供保障。

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作者:Rob Russell,卫星事业部副总裁


对互联网带宽的需求持续飙升,地面宽带一直反应缓慢,部分原因是为世界近一半的人口提供宽带服务在经济上是不现实的。但这是一项非常重要的工作,而且让服务不足的社会阶层广泛接入宽带,可以减少贫困,提高生活水平,是促进经济增长的核心因素。

在地面宽带不足的地方,卫星通信系统正整装待发,准备解决该问题。卫星通信服务提供商和 OEM 厂商正在努力开发产品,充分把握这一爆炸性的增长机遇。波音和 SpaceX 等公司的不懈努力正引领着为数十亿人创造公平竞争的环境,波音公司正在向欧洲服务商提供SES 提供卫星,这些卫星被恰当地命名为 O3b(另外 30 亿颗)星座,SpaceX 制定的星链计划正在快速发展。为了实现社会及市场机遇,卫星通信服务提供商和 OEM 厂商正在计划部署足够的容量,未来 5 年至少会将总带宽增加 20 倍。波音、OneWeb、Viasat 和 SpaceX 等公司预计将在未来 10 年增加 10 多万颗卫星,所有公司都希望在新太空竞争中占据一席之地。为了实现这一目标,行业正在进行卫星系统设计模式的重大转型,这带来了巨大的变革,也为创新方法以及新公司参与增长创造了重要商机。 

解决整体问题的一个重要因素是解决电源问题。新太空卫星通信解决方案需要高性能处理,这反过来需要更多电源。因此,有限的空间和重量预算使得高密度、高效率的高级电源解决方案成了实现这些高级通信系统的首选。

新太空卫星 OEM 厂商和服务提供商参与竞争的关键

要与地面解决方案竞争并获得未来 5 到 10 年互联网带宽增长的预期份额,太空解决方案必须在容量、覆盖范围、时延和整体成本方面与地面解决方案竞争。为了具有竞争力,新太空公司趋同的重要战略是在近地轨道 (LEO) 及中地轨道 (MEO) 星座部署大量较小的互联卫星。

在较低轨道上部署数百颗甚至数千颗卫星,将为系统架构师和开发人员带来某些巨大挑战。一颗卫星的成本,包括发射成本,必须比对地静止轨道 (GEO) 卫星和深空卫星至少低一个数量级,才能使该解决方案在经济上可行。为了降低成本,他们不仅需要增加每颗卫星的吞吐量,而且还需要缩小尺寸并减轻重量。

与此同时,可部署的卫星数量有限,而且该数量也受国际政府分配的限制,因此最大限度提升每颗卫星吞吐量的愿望更强烈。这些截然相反的要求——在缩减卫星尺寸及成本的同时,提高其性能——再加上较低轨道的较少辐射暴露,产生了几个不同于传统太空应用的设计驱动力。

新太空设计的驱动力与要求

开发人员解决这个设计问题的一种方法是使用越来越复杂的机载处理功能。作为在尽可能小的空间内最大限度提高性能的一种方法,使用具有苛刻低电压、大电流电源要求的最新超深亚微米 FPGA 和 ASIC 越来越普及。对更先进解决方案的需求也推动了任务时长,因为随着技术的改进,公司将需要更快更新卫星,以充分发挥最新、最优质产品的优势。典型 LEO 任务的持续时间以及技术升级的最佳时间是 3 到 7 年。这可能是一个成本高昂的提议,因为他们只能获批这么多卫星,公司将被迫更换卫星,而不是增加数量。此外,缩短的任务期限也需要在涉及上市时间 (TTM) 时有不同的思维模式,将通常 7 至 10 年的开发及生产周期缩短一半以上。好消息是,范艾伦辐射带内轨道越低,任务周期就越短,所需的防辐射量就将显著减少。这反过来又允许使用更复杂、更便宜的 COTS 产品,这些产品对任务所需的耐辐射性更低。TTM 需求推动了进一步变革。

开发人员希望使用模块化的 COTS 型组件进行开发,以提高可靠性,减少认证和测试时间并支持更快和可预测性更高的设计周期。

TTM 需求加上 OEM 厂商需要生产的卫星数量庞大,给制造能力和产能带来了更大的负担。模块化组件通常在现代制造环境中生产,在商业层面很稳健,还可扩展,这与原有太空级组件形成了鲜明的对比,原有太空级组件通常为小批量手工制作,主要用于具有更高耐辐射性的较少卫星的任务。

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针对新太空改进的供电网络(PDN)

与其它卫星系统元件相似,大多数现有太空级隔离及非隔离 DC-DC 解决方案主要针对深空间任务开发,具有高度的可靠性和耐辐射性,因此无法满足新太空应用的密度及效率需求。这些完全抗辐射解决方案的制造要求需要密闭封装和小批量生产,手工程度很高并需要广泛的测试,因此生成周期非常漫长。需要不同类型的 PDN 解决方案来满足新太空应用的性能要求,同时能提供足够的耐辐射性。为了通过使用高级通信处理器来缩减尺寸、重量和成本并缩短上市时间,必须提供能够使用高密度、高效率、模块化组件在低电压下提供大电流的高级 PDN。

紧凑的模块化电源组件将通过以下三种方式显著缩减整体 PDN 的尺寸和重量:

  1. 提高电源密度。
  2. 缩小 PDN 空间占用并提高效率,以减少所需含铜量高的 PCB 面积。
  3. 减少额外的滤波需求。

一般来说,提高 PDN 效率和密度会给有效载荷和卫星子系统留下更多的尺寸和重量预算。Vicor 耐辐射电源模块可加速上市进程、提供极高的性能并可降低风险和成本,能够为当前 LEO 及 MEO 卫星实现理想的 PDN,提供高效率、高密度、低噪声电压转换,为先进的网络通信 ASIC 及处理器供电。使用双供电链拓扑提高可靠性,再加上广泛的合格性测试,我们的模块符合任务 TID 及 SEE 辐射要求。

Vicor 模块化解决方案可将电源从电源端转至负载,这有助于开发人员缩短上市时间,降低风险和成本并最大限度提高电路板空间的利用率。Vicor 目前的产品能够以高达 81% 的效率,通过标准 100V 母线为 0.8V/150A 和 3.3V/50A 处理器负载供电。下一代模块正在开发中,不仅将提高端到端效率,还可提供备用母线解决方案。全新 Vicor 耐辐射电源模块提供的一些差异化优势有:与当前业界领先的解决方案相比,功率密度提高 3 至 5 倍;可为 100V 母线应用锐降 50% 的功耗。实施 Vicor 耐辐射解决方案,将通过业界一流的密度、效率和噪声特征,显著缩减 PDN 所需的整体电路板空间和重量。

凭借其作为 COTS 航空航天及高性能计算处理器电源解决方案业界领先企业的悠久传承,Vicor 一直使用先进封装以及标准大容量 SM-ChiP™ 装配技术。所有部件都在美国工厂生产,其可提供稳健、可扩展的制造产能,能够游刃有余地应对当前高容量 LEO 及 MEO 的挑战。

本文最初由 Sat Magazine 发表。

Rob Russell 现任卫星业务开发副总裁,他在 Vicor 公司已工作 10 多年,担任过战略市场营销、产品市场营销以及业务开发等各种职务。Rob Russell 在电子行业拥有超过 29 年的丰富销售及市场营销经验。他毕业于马萨诸塞大学,先后获电气工程学士学位和工商管理硕士学位。在加入 Vicor 之前,他在 Power-One 工作,担任产品市场营销副总裁兼全球战略销售总监。

Rob Russell

Rob Russell,卫星事业部副总裁

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