作者：Ken Coffman，高级现场应用工程师；Salah Ben Doua，首席应用工程师 

为了减少卫星与地面之间成本高昂的通信流量，卫星平台正在搭载更强的处理能力。为满足额外的在轨计算需求，信号与数据处理硬件、系统功率及负载点（PoL）要求必须相应提升。由于硬开关转换器在尺寸、效率及电磁干扰方面存在缺陷，促使系统工程师与电源设计师转而考虑更先进的电源拓扑结构。

随着现代 ASIC、FPGA、CPU 和 GPU 的物理尺寸不断增大，以及对散热解决方案的需求提升，这些大芯片周边的电路板布局面积变得尤为珍贵。这些芯片需要电压持续降低而电流不断增大，因此需要优化供电网络（PDN）。

在这种情况下，将 PDN 的任务划分为两个部分是一种有效的策略：一部分为可灵活放置的稳压模块，另一部分为尽可能靠近负载的供电模块。这正是 Vicor 分比式电源架构（FPA™）的核心理念。

软开关拓扑能够以较低的谐波噪声实现较高的基波转换频率，相较于硬开关转换器具有显著优势。

相比硬开关多相拓扑结构：

1. 零电压开关（ZVS）与零电流开关（ZCS）拓扑可在最高的实际频率下运行，节省空间并降低功率损耗。
2. ZVS/ZCS 拓扑不会产生高频谐波噪声。
3. Vicor 转换器的工作频率超过 1MHz，避免了存在于 100 – 500kHz 的有害噪声。
4. 低谐波特性与高基波转换频率，使得噪声滤波器的实现方案更为紧凑。

Vicor 电源模块的工作频率高于 1MHz，可帮助工程师创建低共模（CM）和差模（DM）噪声设计，在合理布局组件和优化设备互连的前提下效果更佳。

与往常一样，输入与输出滤波器仍是必要配置，且需精确设计与合理放置。但 Vicor 转换器的固有特性简化了这项任务。

分比式电源：高效实现大电流、低电压供电

卫星电源系统设计师面临的重大挑战：

1. 负载电流需求从数十安培增至数百安培。
2. 负载瞬态响应需更快且容差窗口更小。
3. 需进一步降低供电网络的损耗与阻抗。
4. 更多地采用更高电压母线，以减小导体尺寸。

除了日益提升的电气性能需求外，太空环境还增加了辐射总电离剂量（TID）和单粒子效应（SEE）要求。在某些情况下，新太空领域追求更小巧、更快速、更经济的太空平台与发射方案，促使耐辐射设计方法作为成本更低的抗辐照加固替代方案被广泛采用。这种新方法根据特定任务确定可接受的性能与可靠性水平，然后综合权衡尺寸、重量与功耗（SWaP）及成本效益，开发电路板与电子设备。这种设计策略适用于范艾伦（Van Allen）辐射带内的低地球轨道（LEO）和中地球轨道（MEO）卫星。

要优化大电流、高密度供电网络（PDN），需要采用全新的方法，而分比式电源架构（FPA）正是理想选择。Vicor 的新太空 FPA 将 PDN 分为三级：固定比率、非稳压隔离式 DC-DC 转换器（BCM®）与隔离和变压模块（VTM™）将电压从一个电平转换至另一个电平；预稳压模块（PRM™）稳压器负责稳压，并在输入电压和输出负载发生变化时将转换器输出电压控制在目标值范围内。

在当前一代 Vicor 新太空转换器中，第一级非稳压 BCM 实现与航天器母线的隔离，并为下游转换器提供供电电压，同时通过电压变换生成与下游转换器兼容的中间母线电压。现有 BCM 设计采用 3:1 变压比，可将 100V_DC 转换为 33V_DC，目前正在研究评估其他变压比方案，以支持其他母线电压。

第二级 PRM 模块则实现精确的输出电压调节，其可调输出电压范围覆盖 13.4V 至 35V。

第三级 VTM 承担供电职能，负责将 PRM 输出的较高电压转换为负载所需的电压。目前支持 8:1 和 32:1 两种变压比。由于其输入到输出电流变换比与电压变换比呈倒数关系，VTM 被称为“电流倍增器”。例如，向 8:1 变压比的 VTM 注入 6A 电流，可获得 48A 输出电流。

为新太空应用设计低噪声分比式电源架构

BCM、PRM 和 VTM 是构成分比式电源架构的关键组件。当前一代耐辐射新太空 BCM 采用 Vicor 专利正弦振幅转换器（SAC™）拓扑，峰值效率高达 96.9%，性能表现令人瞩目。

Vicor 的 PRM 模块采用专利的零电压开关升降压稳压器控制架构，可实现高效的升压与降压稳压及软启动功能。当输入电压 V_IN 约等于输出电压 V_OUT 时效率最高，最新 PRM 的峰值效率高达 97%。

VTM 电流倍增器是一款高效的电压变换模块，采用 Vicor 专有的 ZCS/ZVS 正弦振幅转换器技术。该转换器可转换出具有高频谱纯度和共模对称性的近纯正弦波波形。这些特性意味着它不会产生硬开关 PWM 转换器常见的谐波含量，并将噪声降至最低。其控制架构将工作频率锁定为动力系统的谐振频率，实现了高达 97% 的效率，并通过有效消除无功分量来最小化输出阻抗。这种极低的非感性输出阻抗使其能对负载电流的阶跃变化做出近乎瞬时的响应。

VTM 可在 1 微秒内响应任意幅度的负载变化。VTM 的高带宽可避免对大容量负载点电容的需求。即使没有任何外部输出电容，VTM 的输出在应对突发功率激增时也只会出现有限的电压扰动。少量的外部旁路电容（采用低等效串联电阻/等效串联电感（ESR/ESL）陶瓷电容）即可最大限度地抑制输出瞬态电压过冲。

由于 VTM 不存在容性或感性储能，其行为几乎是透明的，可将大容量电容布置在输入电压侧 —— 此举能充分利用电压平方项与线性电压变压比。

Ej = 储能（焦耳）
C = 电容（F）
V = 电压（V）

以 Vicor VTM 模块为例，在 8:1 的变压比下，28V / 25µF 的输入电容与 3.3V / 1600µF 的输出电容在储能效果上非常接近（见图 1）。

由于 VTM 几乎“透明”，输入与输出之间的电容转换比有助于应对脉冲负载。这种转换机制意味着在较高电压下使用较小的电容值，即可满足脉冲负载需求。

Vicor 的耐辐射新太空 VTM 在 8:1 变换比（3.3V / 50A）下的峰值效率为 94.7%，在电流更大、32:1 变换比（0.8V / 150A）时峰值效率为 92.9%。

以 FPA 方式进行储能与动态响应

图 1：采用 Vicor PRM 与 VTM 模块构建的更高效、更灵活的分比式电源架构（FPA）。