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问答文章

功率密度:实现全球网络覆盖难以察觉的关键技术

Vicor 卫星项目副总裁 Rob Russell 分享他对塑造卫星未来和快速商业化太空的趋势及重要影响因素的制度见解。

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作者:Rob Russell,卫星事业部副总裁

中低轨道卫星是实现全球网络带宽的下一个桥头堡

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图 1:  满足全球互联网需求,带宽至少需要增加 20 倍。为了实现这一目标,未来十年将需要部署 10 万颗以上的新卫星,高密度电源解决方案将成为推动中低轨道卫星市场发展不可或缺的重要组成部分。

问:中低轨道星座卫星 OEM 厂商和服务提供商的市场驱动因素是什么?

答:低地球轨道 (LEO) 和中地球轨道 (MEO) 通信星座卫星的主要驱动因素是对网络带宽的需求不断飙升。这种预期的带宽增长是由几个宏观趋势驱动的,如向云计算的转变、物联网连接、人工智能的增长,以及对流媒体服务不断增长的需求。增加卫星带宽将对总体带宽需求产生倍增效应,因为它能够触及目前地面服务提供商服务不到位的市场。这些中低轨道星座将提供实现全球完全互联互通所需的通信主干。

问:这些卫星开发人员面临的普遍挑战是什么?

答: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一些巨大挑战。一颗卫星的成本,包括发射成本,必须比对地静止轨道 (GEO) 卫星和深空卫星降低至少一个数量级,才能使该解决方案在经济上可行。同时,还必须最大限度提高每颗卫星的吞吐量能力,才能满足不断增长的带宽需求。鉴于美国联邦通信委员会和其它政府机构会限制可发射卫星的数量,因此优化每颗卫星的吞吐量尤为重要。

此外,低轨道卫星的典型预期寿命为 3 到 7 年,因此开发周期需要比历史速度快 2 至 3 倍,才能跟上更新换代的步伐。这使得对于今天蓬勃发展的卫星市场上的 OEM 厂商而言,加速产品上市进程更为重要。

问:他们面临的电源挑战是什么?

答:在提高吞吐量的同时缩减卫星尺寸和成本的双重要求,促使卫星开发人员实施他们所能找到的最先进的通信技术。这项工作的关键要素之一是使用先进通信处理器。这些处理器反过来需要先进的电源解决方案,能提供极低(1V 以下)的电压和可能超过 130A 的电流。此外,这些解决方案还必须具有很高的功率密度,能最大限度减少电路板的空间和重量,同时还能为任务保持适当程度的耐辐射性。

传统的航天电源解决方案只能提供这些应用所需的一小部分电流,而且占用的面积更大。 因此卫星开发人员不得不寻找创新的方法来解决该问题。除了技术挑战外,这些大型星座中的一个星座可能就需要数以万计的电源转换器,这比传统的太空基础架构历史上所能支持的高几个数量级。

问:Vicor 在应对这些挑战时运用了哪些独特的功能?你们采用什么电源架构和半导体平台,为什么?

答:Vicor 通常将其经过验证的分比式电源架构 (FPA™)用于耐辐射产品。FPA 可提供一个可靠的架构,为处理器电源提供低电压/大电流解决方案。Vicor FPA 解决方案经过超过 15 年的长期发展,不仅部署在高性能计算、航空航天与国防应用中,而且最近也部署在人工智能应用中。

为了实现并保持我们的全球技术领先地位,我们长期以来一直设计自己的控制芯片,以充分利用我们独特的拓扑和封装。对于其它半导体组件,我们与业界顶级供应商合作,并使用任何有助于我们获得 Vicor 模块最佳性能的组件。我们为耐辐射产品使用相同的方法,这使我们实现的密度比竞争对手提升了至少 3 至 5 倍(图 1)。

问:如何确保低噪声以实现可靠的功率完整性?

答:Vicor FPA 组件的一个重要属性是:与其它解决方案相比,它们产生的噪声很小,所需的滤波也显著降低。FPA 将稳压功能从变压功能中分离出来,使我们能够将极低噪声的 VTM 模块尽可能地布置在信号完整性至关重要的负载附近。 (耐辐射 FPA 解决方案)

问:你们是如何达到 Vicor 部件的耐辐射标准的?

答:耐辐射是一个宽泛的术语,用来指 新太空卫星应该在中低轨道高度上提供足够耐辐射性,而不是通常用于 GEO 及更深层太空任务的“抗辐射”设备。这些要求似乎只针对特定应用,而且在一定程度上是可以协商的。Vicor 产品设计并测试的总电离剂量 (TID) 为 50krad,单事件效应 (SEE) 等级为 35 MeV-cm2/mg。此外,我们的部件不受单一事件功能中断 (SEFI) 影响。我们通过在每个模块中使用冗余的供电链和专有的控制电路,实现 SEFI 抗扰性。

问:你们还使用其它什么环境条件来测试这些产品的坚固性和可靠性吗?

答:我们对 MIL-STD-810 进行的测试与我们对我们的坚固耐用的 MIL-COTS 转换器所做的测试一样,测试包括 冲击、振动和温度循环等事宜。对于太空应用来说,这可能有点过了,但这是我们标准认证流程的一个组成部分,以确保我们有最坚固耐用的设计。

问:在未来几年中,您预计这些产品会增加哪些增强功能?

答:我们已经在着手提高我们现有产品的效率和耐辐射性。我们的 FPA 模块具有固有的灵活性,为不同母线和负载电压开发不同的部件相对容易。当前解决方案是将一个标准 100V 卫星母线转换成 0.8V/150A 和 3.3V/50A 的处理器电压,除了这个之外,我希望我们不仅将开发一款类似的 28V 处理器加载解决方案,而且还将开发各种解决方案,可采用卫星母线并创建一个隔离式的稳压 28V、15V 或 12V 母线,为其它类型的下游负载供电。

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图 2:  Vicor 耐辐射电源模块与当前最佳解决方案相比,可提供 3 至 5 倍的功率密度提升,并可为 100V 母线应用锐降 50% 的功耗。

本文最初由《Microwave Journal》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,他在宝威电源 (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

作者:Rob Russell,卫星事业部副总裁

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