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Vicor 电源模块助力实现卫星网络星座

Vicor 产品线非常适合为“新太空”项目提供服务。可靠性、大电流和高密度是为“新太空”供电的重要电源要求。

Satellite image

Vicor 公司最近宣布,其辐射容错 DC-DC 转换器电源模块将用于波音公司制造的 O3b mPOWER 卫星。O3b mPOWER 生态系统是一个中地球轨道 (MEO) 卫星星座,SES 将利用它为位于世界各地的客户提供全球连接服务。

将重点转移到 LEO 和 MEO 卫星

卫星基本上有三种类型:GEO、MEO 和 LEO。地球静止轨道 (GEO) 卫星需要完全抗辐射的组件,因此非常昂贵。每颗卫星的成本高达 5 亿美元,必须使用 15 - 20 年才能物有所值。地球静止轨道的主要优势在于:在 3.5 万公里的高度,仅用三颗卫星就可覆盖非常广阔的地理区域。

中等地球轨道 (MEO) 的高度在 5000 公里到 12000 公里之间,需要 10 到 20 颗卫星组成的星座,才能实现全球覆盖。该轨道位于保护地球的范艾伦辐射带内,因此电子产品供应商有使用耐辐射 COTS 解决方案的余地。

近地轨道 (LEO) 通常包括数百甚至数千颗卫星组成的星座,以实现稳定的全球覆盖,因此它是该市场未来发展的增长部分。在近地轨道环境下,使用耐辐射产品的余地更大,任务时间要求在 3 至 5 年之间。

GEO, MEO, and LEO basics image

图 1:GEO、MEO 和 LEO 基础知识。

指定用于“新太空”项目的更多卫星

Vicor 卫星业务发展副总裁 Rob Russell 指出:“近地轨道任务通常是我们所说的“新太空”或太空 2.0 的一部分。与更深层次的太空轨道相比,该市场的成本更低,其重点主要是在增加互联网带宽的同时,降低时延。”

低传输时延与高吞吐量都是 5G、电视直播、军事通信和金融交易等应用的基本要求。我们许多人都经历过,与地面或有线电视传输相比,卫星电视传输会有几秒钟的延迟(时延)。例如,在收看体育赛事时,这种延迟可能会非常烦人,但在影响战场上的军事通信时,后果可能会非常严重。

此外,时延问题在金融交易中也非常重要,因为即使是一毫秒的延迟,也会造成盈利操作和亏损操作之间的差异。在高频率交易中,会进行大量金融交易,每次操作的利润低至几美分,因此减少时延事关重大。5G 技术的推出也有同样的考虑,电信、物联网和其它新一代服务(如自动驾驶汽车)都必须大量使用带宽并支持极低时延。
除了高带宽和低时延之外,LEO 应用的另一个优势是覆盖范围,因为多个重叠的范围可以实现对地球的全覆盖。

“把宽带带到原来没有的地方是一项巨大的优势。O3b 的主要目标之一是代表另外 30 亿人,将高宽带因特网带给世界上许多目前无法使用网络的人,”Russell 表示。
要在近地轨道应用中实现全覆盖,需要数百甚至数千颗卫星,而地球静止轨道只需 3 颗。这就意味着需要大量商用部件来降低整体成本。需要现代 ASIC、FPGA 和定制芯片,而不是使用完全防辐射器件,完全防辐射器件不仅价格非常昂贵,而且总是落后两三代,甚至更多代。这些器件在保持一定抗辐射性的同时,还需要支持高密度、大电流、低成本和高效率的现代电源解决方案。

“一旦卫星进入轨道,唯一可用的电源来自太阳能帆板。因为所提供的电源有限,因此需要所有供电链的元件都具有高效率。Vicor 高效、高密度、大电流的解决方案在这种新太空模式中发挥了良好的作用,”Russell 道。

Vicor 耐辐射电源解决方案

今天,较大的卫星一般使用 100V 的电源母线,这是 Vicor 当前解决方案可提供的。如右图所示,源于电池(由太阳能帆板充电)的 100V 电压经过拆分,提供给两条线路(最大电流为 150A 时,电压为 0.8V;最大电流为 50A 时,电压为 3.3V),为 ASIC 供电。

Vicor rad-tolerant factorized power (FPA) solution image

图 2:Vicor 耐辐射分比式电源 (FPA) 解决方案。

BCM® 隔离式母线转换器的转换比(或 K 因数)为三比一,因为它会采用 100V 的输入电压并将其降低到更适合稳压并对稳压更有效的电压。28V 二级母线驱动 VTM™ 电流倍增器,这也是比率式器件(分别为 1/32 和 1/8),可将输出电压进一步降低至所需的值。

“我们的基本解决方案非常适合使用 100V 母线的 LEO 和 MEO 卫星。我们的模块化方案可提供巨大的设计灵活性,可帮助设计人员相对轻松地修改母线电压或线路电压,”Russell 指出。

创新的设计、精心的组件选择以及广泛的组件和系统测试可确保电离总剂量 (TID) 耐辐射性和单事件效应缓解,适用于 LEO 和 MEO 任务。

单事件效应是由单个高能粒子引起的电子事件。对于这种类型的测试,会使用高能粒子轰击被测器件 (DUT),以模拟其在太空中会发生的情况。相反,电离总剂量效应是指长期的辐射暴露对电子设备造成的损害。这是一种累积效应,与太阳带来的辐射相对应。在这种情况下,一段时间的辐射暴露会证明被测器件非常稳健,足以承受这类任务所需的最大辐射等级。

Vicor rad-tolerant power modules image

图 3:Vicor 耐辐射电源模块不仅紧凑、高效,而且还很轻巧。该公司称,与当前业界一流解决方案相比,其功率密度提高了 3 至 5 倍,可将 100V 母线应用的功耗锐降 50%

Russell 表示,鉴于潜在的产品线扩展,除了 100V 母线电压外,28V 母线也是最普遍的解决方案之一,而且某些特定应用需要 50V 及 70V 的母线。可能会为 VTM 提供不同的 K 因数,并且可能需要针对更低功率优化的解决方案。目前提供的一些技术,特别是 BCM,可能会进行改进,以支持电源的双向流动,从而提高电池充电/再充电过程的效率,并减少所占空间的数量。

Vicor 数据显示,该产品线非常适合为“新太空”提供服务。可靠性、大电流和高密度是为“新太空”供电的重要电源要求。

本文最初由 EETimes 发表。

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