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Vicor 電源模組助力實現衛星網路星座

Vicor 產品線非常適合為“新太空”項目提供服務。 可靠性、大電流和高密度是為“新太空”供電的重要電源要求。

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Vicor 公司最近宣佈,其輻射容錯 DC-DC 轉換器電源模組將用於波音公司製造的 O3b mPOWER 衛星。 O3b mPOWER 生態系統是一個中地球軌道(MEO)衛星星座,SES 將利用它為位於世界各地的客戶提供全球連接服務。

將重點轉移到 LEO 和 MEO 衛星

衛星基本上有三種類型:GEO、MEO 和 LEO。 地球靜止軌道(GEO)衛星需要完全抗輻射的組件,因此非常昂貴。 每顆衛星的成本高達 5 億美元,必須使用 15 - 20 年才能物有所值。 地球靜止軌道的主要優勢在於:在 3.5 萬公里的高度,僅用三顆衛星就可覆蓋非常廣闊的地理區域。

中等地球軌道(MEO)的高度在 5000 公里到 12000 公里之間,需要 10 到 20 顆衛星組成的星座,才能實現全球覆蓋。 該軌道位於保護地球的範艾倫輻射帶內,因此電子產品供應商有使用耐輻射 COTS 解決方案的餘地。

近地軌道(LEO)通常包括數百甚至數千顆衛星組成的星座,以實現穩定的全球覆蓋,因此它是該市場未來發展的增長部分。 在近地軌道環境下,使用耐輻射產品的餘地更大,任務時間要求在 3 至 5 年之間。

GEO, MEO, and LEO basics image

圖 1:GEO、MEO 和 LEO 基礎知識。

指定用於“新太空”項目的更多衛星

Vicor 衛星業務發展副總裁 Rob Russell 指出:“近地軌道任務通常是我們所說的“新太空”或太空 2.0 的一部分。 與更深層次的太空軌道相比,該市場的成本更低,其重點主要是在新增物聯網頻寬的同時,降低時延。”

低傳輸時延與高輸送量都是 5G、電視直播、軍事通信和金融交易等應用的基本要求。 我們許多人都經歷過,與地面或有線電視傳輸相比,衛星電視傳輸會有幾秒鐘的延遲(時延)。 例如,在收看體育賽事時,這種延遲可能會非常煩人,但在影響戰場上的軍事通訊時,後果可能會非常嚴重。

此外,時延問題在金融交易中也非常重要,因為即使是一毫秒的延遲,也會造成盈利操作和虧損操作之間的差异。 在高頻率交易中,會進行大量金融交易,每次操作的利潤低至幾美分,因此减少時延事關重大。 5G 科技的推出也有同樣的考慮,電信、物聯網和其它新一代服務(如自動駕駛汽車)都必須大量使用頻寬並支持極低時延。

除了高頻寬和低時延之外,LEO 應用的另一個優勢是覆蓋範圍,因為多個重疊的範圍可以實現對地球的全覆蓋。

“把寬帶帶到原來沒有的地方是一項巨大的優勢。O3b 的主要目標之一是代表另外 30 億人,將高寬帶網路帶給世界上許多現時無法使用網絡的人,”Russell 表示。

要在近地軌道應用中實現全覆蓋,需要數百甚至數千顆衛星,而地球靜止軌道只需 3 顆。 這就意味著需要大量商用部件來降低整體成本。 需要現代 ASIC、FPGA 和定制晶片,而不是使用完全防輻射器件,完全防輻射器件不僅價格非常昂貴,而且總是落後兩三代,甚至更多代。 這些器件在保持一定抗輻射性的同時,還需要支持高密度、大電流、低成本和高效率的現代電源解決方案。

“一旦衛星進入軌道,唯一可用的電源來自太陽能帆板。因為所提供的電源有限,因此需要所有供電鏈的元件都具有高效率。Vicor 高效、高密度、大電流的解決方案在這種新太空模式中發揮了良好的作用,”Russell 道。

Vicor 耐輻射電源解決方案

今天,較大的衛星一般使用 100V 的電源母線,這是 Vicor 當前解決方案可提供的。 如右圖所示,源於電池(由太陽能帆板充電)的 100V 電壓經過折開,提供給兩條線路(最大電流為 150A 時,電壓為 0.8V;最大電流為 50A 時,電壓為 3.3V),為 ASIC 供電。

Vicor rad-tolerant factorized power (FPA) solution image

圖 2:Vicor 耐輻射分比式電源(FPA)解決方案。

BCM® 隔離式母線轉換器的轉換比(或 K 因數)為三比一,因為它會採用 100V 的輸入電壓並將其降低到更適合穩壓並對穩壓更有效的電壓。 28V 二級母線驅動 VTM™ 電流倍增器,這也是比率式器件(分別為 1/32 和 1/8),可將輸出電壓進一步降低至所需的值。

“我們的基本解決方案非常適合使用 100V 母線的 LEO 和 MEO 衛星。我們的模組化方案可提供巨大的設計靈活性,可幫助設計人員相對輕鬆地修改母線電壓或線路電壓,”Russell 指出。

創新的設計、精心的組件選擇以及廣泛的組件和系統測試可確保電離總劑量(TID)耐輻射性和單事件效應緩解,適用於 LEO 和 MEO 任務。

單事件效應是由單個高能粒子引起的電子事件。 對於這種類型的測試,會使用高能粒子轟擊被測器件(DUT),以類比其在太空中會發生的情况。 相反,電離總劑量效應是指長期的輻射暴露對電子設備造成的損害。 這是一種累積效應,與太陽帶來的輻射相對應。 在這種情況下,一段時間的輻射暴露會證明被測器件非常穩健,足以承受這類任務所需的最大輻射等級。

Vicor rad-tolerant power modules image

圖 3:Vicor 耐輻射電源模組不僅緊湊、高效,而且還很輕巧。 該公司稱,與當前業界一流解決方案相比,其功率密度提高了 3 至 5 倍,可將 100V 母線應用的功耗銳降 50%。

Russell 表示,鑒於潜在的產品線擴展,除了 100V 母線電壓外,28V 母線也是最普遍的解決方案之一,而且某些特定應用需要 50V 及 70V 的母線。 可能會為 VTM 提供不同的 K 因數,並且可能需要針對更低功率優化的解決方案。 現時提供的一些科技,特別是 BCM,可能會進行改進,以支持電源的雙向流動,從而提高電池充電/再充電過程的效率,並减少所占空間的數量。

Vicor 資料顯示,該產品線非常適合為“新太空”提供服務。 可靠性、大電流和高密度是為“新太空”供電的重要電源要求。

本文最初由 EETimes 發表。

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