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新型高密度電源解決方案助力實現全球互聯

為了减少貧困,是否真的可讓寬帶普及到所有服務不足的社會階層?在地面寬帶不足的地方,衛星可提供保障。

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作者:Rob Russell,衛星事業部副總裁

對物聯網頻寬的需求持續飆升,地面寬帶一直反應緩慢,部分原因是為世界近一半的人口提供寬帶服務在經濟上是不現實的。 但這是一項非常重要的工作,而且讓服務不足的社會階層廣泛接入寬帶,可以减少貧困,提高生活水準,是促進經濟增長的覈心因素。

在地面寬帶不足的地方,衛星通訊系統正整裝待發,準備解决該問題。 衛星通信服務提供者和 OEM 廠商正在努力開發產品,充分把握這一爆炸性的增長機遇。 波音和 SpaceX 等公司的不懈努力正引領著為數十億人創造公平競爭的環境,波音公司正在向歐洲服務商提供 SES 提供衛星,這些衛星被恰當地命名為 O3b(另外 30 億顆)星座,SpaceX 製定的星鏈計畫正在快速發展。 為了實現社會及市場機遇,衛星通訊服務提供者和 OEM 廠商正在計畫部署足够的容量,未來 5 年至少會將總頻寬新增 20 倍。 波音、OneWeb、Viasat 和 SpaceX 等公司預計將在未來 10 年新增 10 多萬顆衛星,所有公司都希望在新太空競爭中佔據一席之地。 為了實現這一目標,行業正在進行衛星系統設計模式的重大轉型,這帶來了巨大的變革,也為創新方法以及新公司參與增長創造了重要商機。

解决整體問題的一個重要因素是解决電源問題。 新太空衛星通訊解決方案需要高性能處理,這反過來需要更多電源。 因此,有限的空間和重量預算使得高密度、高效能的高級電源解決方案成了實現這些高級通訊系統的首選。

新太空衛星 OEM 廠商和服務提供者參與競爭的關鍵

要與地面解決方案競爭並獲得未來 5 到 10 年物聯網頻寬增長的預期份額,太空解決方案必須在容量、覆蓋範圍、時延和整體成本方面與地面解決方案競爭。 為了具有競爭力,新太空公司趨同的重要戰略是在近地軌道(LEO)及中地軌道(MEO)星座部署大量較小的物聯網星。

在較低軌道上部署數百顆甚至數千顆衛星,將為系統架構師和開發人員帶來某些巨大挑戰。 一顆衛星的成本,包括發射成本,必須比對地靜止軌道(GEO)衛星和深空衛星至少低一個數量級,才能使該解決方案在經濟上可行。 為了降低成本,他們不僅需要新增每顆衛星的輸送量,而且還需要縮小尺寸並減輕重量。

與此同時,可部署的衛星數量有限,而且該數量也受國際政府分配的限制,因此最大限度提升每顆衛星輸送量的願望更强烈。 這些截然相反的要求——在縮減衛星尺寸及成本的同時,提高其效能——再加上較低軌道的較少輻射暴露,產生了幾個不同於傳統太空應用的設計驅動力。

新太空設計的驅動力與要求

開發人員解决這個設計問題的一種方法是使用越來越複雜的機載處理功能。 作為在盡可能小的空間內最大限度提高效能的一種方法,使用具有苛刻低電壓、大電流電源要求的最新超深亞微米 FPGA 和 ASIC 越來越普及。 對更先進解決方案的需求也推動了任務時長,因為隨著科技的改進,公司將需要更快更新衛星,以充分發揮最新、最優質產品的優勢。 典型 LEO 任務的持續時間以及科技陞級的最佳時間是 3 到 7 年。 這可能是一個成本高昂的提議,因為他們只能獲批這麼多衛星,公司將被迫更換衛星,而不是新增數量。 此外,縮短的任務期限也需要在涉及上市時間(TTM)時有不同的思維模式,將通常 7 至 10 年的開發及生產週期縮短一半以上。 好消息是,範艾倫輻射帶內軌道越低,任務週期就越短,所需的防輻射量就將顯著减少。 這反過來又允許使用更複雜、更便宜的 COTS 產品,這些產品對任務所需的耐輻射性更低。 TTM 需求推動了進一步變革。

開發人員希望使用模組化的 COTS 型組件進行開發,以提高可靠性,减少認證和測試時間並支持更快和可預測性更高的設計週期。

TTM 需求加上 OEM 廠商需要生產的衛星數量龐大,給製造能力和產能帶來了更大的負擔。 模組化組件通常在現代製造環境中生產,在商業層面很穩健,還可擴展,這與原有太空級組件形成了鮮明的對比,原有太空級組件通常為小批量手工製作,主要用於具有更高耐輻射性的較少衛星的任務。

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針對新太空改進的供電網路(PDN)

與其它衛星系統元件相似,大多數現有太空級隔離及非隔離 DC-DC 解決方案主要針對深空間任務開發,具有高度的可靠性和耐輻射性,因此無法滿足新太空應用的密度及效率需求。 這些完全抗輻射解決方案的製造要求需要密閉封裝和小批量生產,手工程度很高並需要廣泛的測試,因此生成週期非常漫長。 需要不同類型的 PDN 解決方案來滿足新太空應用的效能要求,同時能提供足够的耐輻射性。 為了通過使用高級通信處理器來縮減尺寸、重量和成本並縮短上市時間,必須提供能够使用高密度、高效率、模組化組件在低電壓下提供大電流的高級 PDN。

緊湊的模組化電源組件將通過以下三種方式顯著縮減整體 PDN 的尺寸和重量:

  1. 提高電源密度。
  2. 縮小 PDN 空間佔用並提高效率,以减少所需含銅量高的 PCB 面積。
  3. 减少額外的濾波需求。

一般來說,提高 PDN 效率和密度會給有效載荷和衛星子系統留下更多的尺寸和重量預算。 Vicor 耐輻射電源模組可加速上市行程、提供極高的效能並可降低風險和成本,能够為當前 LEO 及 MEO 衛星實現理想的 PDN,提供高效率、高密度、低雜訊電壓轉換,為先進的網路通訊 ASIC 及處理器供電。 使用雙供電鏈拓撲提高可靠性,再加上廣泛的合格性測試,我們的模組符合任務 TID 及 SEE 輻射要求。

Vicor 模組化解決方案可將電源從電源端轉至負載,這有助於開發人員縮短上市時間,降低風險和成本並最大限度提高電路板空間的利用率。 Vicor 現時的產品能够以高達 81% 的效率,通過標準 100V 母線為 0.8V/150A 和 3.3V/50A 處理器負載供電。 下一代模組正在開發中,不僅將提高端到端效率,還可提供備用母線解決方案。 全新 Vicor 耐輻射電源模組提供的一些差异化優勢有:與當前業界領先的解決方案相比,功率密度提高 3 至 5 倍; 可為 100V 母線應用銳降 50% 的功耗。 實施 Vicor 耐輻射解決方案,將通過業界一流的密度、效率和雜訊特徵,顯著縮減 PDN 所需的整體電路板空間和重量。

憑藉其作為 COTS 航空航太及高效能運算處理器電源解決方案業界領先企業的悠久傳承,Vicor 一直使用先進封裝以及標準大容量 SM-ChiP™ 裝配科技。 所有部件都在美國工廠生產,其可提供穩健、可擴充的製造產能,能够遊刃有餘地應對當前高容量 LEO 及 MEO 的挑戰。

本文最初由 Sat Magazine 發表。

Rob Russell 現任衛星業務開發副總裁,他在 Vicor 公司已工作 10 多年,擔任過戰略市場營銷、產品市場營銷以及業務開發等各種職務。Rob Russell 在電子行業擁有超過 29 年的豐富銷售及市場營銷經驗。他畢業於馬薩諸塞大學,先後獲電氣工程學士學位和工商管理碩士學位。在加入 Vicor 之前,他在 Power-One 工作,擔任產品市場營銷副總裁兼全球戰略銷售總監。

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Rob Russell,衛星事業部副總裁

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