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面向新太空应用的紧凑、高密度高效率 DC-DC 解决方案

更高性能的近地轨道处理需要新一代电源。

Satellite image

卫星运营商提供越来越高级的板载处理功能,需要使用最新的超深亚微米 FPGA 和 ASIC。这些器件具有要求严苛、低电压、大电流、高功率需求,OEM 厂商正面临着从更小有效载荷及平台提供更多功能的挑战。成本和上市时间也是重要的驱动因素! 

相对而言,卫星越小,获得的能量就越少,随着运营商越来越多地使用更快、更多的机载处理,需要为有效载荷提供尽可能多的电源预算。传统配电架构包含一款隔离式 DC-DC 降压产品,为外部母线输入降压,紧随其后的是本地化 POL,产生所需的负载电压,由于 I2R 压降很大,因此效率太低。要完成新一代 新太空 任务,需要在转换损耗、功率密度、物理尺寸以及与最新超深亚微米器件的开关速度相配的瞬态响应方面改进。 

Vicor 公司荣获专利的分比式电源架构 (FPA™) 采用模块化方法取代常规中间配电,它包含一个隔离式 DC-DC 产品,后接降压砖型产品,可最大限度降低 I2R 配电损耗,最大限度提高效率并可改善瞬态响应。

FPA 由两个阶段组成:先稳压,随后变压。首先,升降压拓扑用于从外部电源生成 48V 中间电压,其明显高于通常输入 POL 的较低的原有母线。例如,功率相同 (P = VI) 时,48V 输出母线需要的电流是 12V 中间母线的 1/4,PDN 损耗等于该电流的平方 (P = I2R),因此其可降低至原来的 1/16 。首先放置一款稳压器来产生 48V 电压,可实现最高效率,从而可帮助较小的卫星充分利用更多能源。

FPA 的第二阶段使用变压器将 48V 中间电压变成所需的负载电压,例如 1V。输出是输入的固定比例(K 因数),由匝数比定义。逐步降低电压,会让电流相应增加,例如,一个 1A 的输入电流将乘以 48A 的输出电流:

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一个预稳压模块 (PRM™) 和一个变压模块 (VTM™) 电流倍增器结合在一起,就会得到该 FPA,每个器件都履行其特殊的职责,将实现完整的 DC-DC 转换。PRM 从一个后接 VTM 的未稳压输入生成一个稳压的“分比式母线”,VTM 会将 48V 逐步变压为所需的负载电压。

VTM 的高带宽无需大型负载点电容。即使没有任何外部输出电容器,VTM 的输出在应对突然出现的功率激增时对电压的扰动也非常有限。极少的外部旁路电容(低 ESR/ESL 陶瓷电容器的形式)足以消除任何瞬态电压过冲。VTM 没有对内部控制环路强制实行带宽限制以维持稳压,而是提供独特的电容倍增特性。例如,当使用 1/48 K 因数时,有效的分流输出电容是输入电容的 2304 倍,即 CSEC = CPRI * K2。也就是说,不仅显著减少了 VTM 下游所需的去耦,而且其输入端仅少量的电容所提供的能量存储将与通常为传统 1V 输出降压砖形产品添加的大型钽所提供的能量一样,如图 1 所示。

低阻抗是为低电压、大电流负载高效供电的重要要求,使用 VTM 也可减少 K2 在二次侧遇到的有效电阻。这使得 VTM 可横向或纵向地布置在负载位置,实现损耗较低的 PDN。FPA 较低电流、较高电压的中间母线意味着,PRM 可以在物理上远离 VTM,而不影响效率。在决定将 PRM 放在哪里时,这将为您带来更高的灵活性,减少对负载位置的区域拥塞问题的担心,更自由的调节功率层的尺寸以适应最大的电流密度。这种平面布置与传统砖型产品方案差别很大,砖型产品方案需要将隔离式 DC-DC 组件与 POL 靠得很近以最大限度降低 I2R 配电损耗。

FPA comparison image

图 1:这些图展示了 FPA 与传统中间架构的对比。

目前的航天级隔离式 DC-DC 产品和降压 POL 都是基于 PWM 的器件,其输出功率与开关频率的占空比成正比。这些硬开关转换器使用方波驱动电感或变压器, MOSFET在开通和关断过程中损耗能量。方波包含大量谐波,必须将其过滤掉,否则它们就会在整个系统中传导或辐射。VTM 的拓扑在一次绕组中使用正弦电流,可产生更干净的输出噪声频谱,因此需要的滤波较少。现有航天级降压稳压器和正反激 DC-DC 产品所指定的效率范围分别在 67 — 95% 之间以及 47 — 87% 之间。

现在有 12 家航天级开关 POL 供应商,可提供近 30 种非隔离转换器。输入电压为 3 ~ 16V,负载电压为 0.785 ~ 9.6V,电流为 4 ~ 18A,开关频率从 100kHz 至 1MHz 不等。我在前面介绍了降压拓扑的转换理论、选择航天级部件时要考虑的标准以及如何选择电感、输入和输出电容的值。

目前有 7 家航天级隔离 DC-DC 产品厂商,提供 30 多个系列的部件,既可产生单重、双重或三重标准的电压,在某些情况下,也可产生可调、稳压、降压中间输出。功率额定值从 2.5 至 500W 不等。前面我介绍过正反激拓扑的转换理论。

为了满足未来 新太空星座的配电及低电压、大电流需求,Vicor 正在对其新颖的正弦振幅转换器 (SAC™) 拓扑进行优化,以满足航天应用的需求。与现有航天级 DC-DC 产品相比,这种荣获专利的 ZCS/ZVS 技术可提供更高的效率、更大的功率密度以及更低的 EMI 辐射。SAC 是一种基于变压器的串联谐振正激架构,其工作频率是固定的,与谐振腔的谐振频率相等,如图 2 所示。

SAC series-resonant topology image

图 2:全桥 SAC 串行谐振拓扑比现有航天级 DC-DC 产品更具优势。

一次侧的 FET 固定工作在谐振频率下,在零电压条件下开通,不仅可消除功耗,而且还可提高效率。谐振时,电感和电容电抗相互抵消,可最大限度降低输出阻抗,其可变成纯电阻,降低压降。所带来的极低输出阻抗允许 VTM 瞬间(不足 1μs)响应负载的阶跃变化。流过谐振腔的电流是谐波较低的正弦波,不仅可带来更干净的输出噪声频谱,而且需要的负载电压滤波也较少。

SAC 的正激拓扑可将输入能量传递至输出可最大限度降低初级线圈的泄漏电感,因为它不是重要的存储元件。SAC 正激拓扑的独特工作可通过更低的固有损耗实现更高的开关频率以及对更小磁性材料的使用。由此带来的效率提升意味着在转换过程中浪费的电源更少,这不仅可简化热管理,而且还允许从更小的封装带来更大的输出电流以及更高的功率密度。更快的工作可更频繁地将能量传输至输出,从而可将动态负载变化的瞬态响应改善至几个周期。

Vicor 计划将各种 DC-DC 产品送入轨道。波音公司已经为一颗提供太空互联网的 O3b 卫星提供了部件 ,并消除了风险。最初将提供四款耐辐射 DC-DC 产品:

  • 一款 300W,9A, 功率密度 849W/in3,隔离式 ZVS/ZCS,SAC 母线转换器模块 (BCM3423PA0A35C0S),接受 94 至 105V 的 DC 电源,可输出 31 至 35V 的固定负载电压(为输入的 1/3)。其封装尺寸为 33.5 × 23.1 × 7.4 毫米,重量为 25.9 克,最高环境效率指定为 94%。
  • 一款 200W,7.7A,功率密度 797W/in3,非隔离式 ZVS 升降压稳压器 (PRM2919P36B35B0S),接受 30 至 36V 的输入,可输出 13.4 至 35V 的可调负载电压。其封装尺寸为 29.2 × 19.0 ×7.4 毫米,重量为 18.2 克,最高环境效率指定为 96%。
  • 一款 200W,50A,功率密度 1204W/in3,隔离式 ZVS/ZCS,SAC DC-DC 产品 (VTM2919P32G0450S),接受 16 至 32V 的线路电圧,可输出 2 至 4V 的固定负载电压(为输入的 1/8)。其封装尺寸为 29.2 × 19.0 × 4.9 毫米,重量为 11 克,最高环境效率指定为 93%。
  • 一款 150W,150A,功率密度 903W/in3,隔离式 ZVS/ZCS,SAC DC-DC 产品 (VTM2919P35K01A5S),接受 13.4 至 35V 的线路电圧,可输出 0.42 至 1.1V 的固定负载电压(为输入的 1/32)。其封装尺寸为 29.2 × 19.0 × 4.9 毫米,重量为 13.3 克,最高环境效率指定为 91%。

四款 DC-DC 产品都采用冗余系统架构进行设计,该架构包含两个支持容错控制的相同并行供电链,可充分满足单事件效应 (SEE) 的需求。为了降低制造成本,部件采用电镀环氧模压树脂 BGA 封装,导热性极好,带有 SM‑ChiP™ 标志,与标准表面贴装、取放及回流装配工艺兼容(图 3)。这些 DC-DC 是 EAR99,指定温度范围为 -40 至 125°C,提供各种过压、短路电流、欠压和热保护特性。目标总剂量为 50kRad (Si),SEE 和其它可靠性数据将在今年晚些时候发布。现已开始提供产品说明书。此外,还可订购定制的输入输出选项。

BCM, PRM, and VTM rad-tolerant DC-DC images

图 3:Vicor 将提供这些新的 BCM、PRM 和 VTM 耐辐射 DC-DC 产品。

为了突出新的耐辐射 DC-DC 提供的优越密度,图4和图5分别对其相对尺寸与现有的空间级开关 POL 和隔离 DC-DC 进行了比较。每个转换器的功率密度(单位为W/in3)、效率(单位为 %)和电流密度(单位为 A/in2)分别用蓝色、橙色和红色标注。通常针对不同的负载条件指定一系列效率,每个数据表的最大值如下所示。

Space-qualified switching POLs with the VTM2919 DC-DCs diagram

图 4:本图主要将航天级开关 POL 与 VTM2919 DC-DC 产品对比。

Space-qualified isolated DC-DCs with the BCM and PRM DC-DCs diagram

图 5:本图主要将航天级隔离式 DC-DC 产品与 BCM 及 PRM DC-DC 产品对比。

全新耐辐射 COTS SAC DC-DC 产品是 新太空应用的创新及使能技术。与符合规定的现有转换器相比,它们将采用更小、更轻的封装,带来输出功率、密度和效率的大幅提升。稳压后的电压明显更干净,批量去耦更少。从明年开始,部件将会面世,评估板将用来帮助您降低未来任务需求的风险。

FPA 是减少 I2R 配电损耗的一项重大进步,可减少对现有中间电源架构的限制。小电流、分比式母线可为放置 BCM® 和 PRM 带来更大的自由度,使其远离通常很拥挤的负载区域。

一款模块化的 100V PDN 解决方案现已开始提供,它可带来 SWaP 优势,为最新超深亚微米航空级半导体供电。VTM 提供高性能的比率测量 DC-DC 解决方案,与 PRM 结合,可利用高压分比式母线的效率优势实现完整的闭环 FPA(图 6)。

Modular 100V power-distribution solution for spacecraft avionics PDN

图 6:航空电子设备现有一种模块化 100V 配电解决方案。

本文最初由 EDN 发表。

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