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功率密度:實現全球網路覆蓋難以察覺的關鍵技術

Vicor 衛星項目副總裁 Rob Russell 分享他對塑造衛星未來和快速商業化太空的趨勢及重要影響因素的制度見解。

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作者:Rob Russell,衛星事業部副總裁

中低軌道衛星是實現全球網路帶寬的下壹個橋頭堡

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圖 1:  滿足全球物聯網需求,帶寬至少需要增加 20 倍。爲了實現這壹目標,未來十年將需要部署 10 萬顆以上的新衛星,高密度電源解決方案將成爲推動中低軌道衛星市場發展不可或缺的重要組成部分。

問:中低軌道星座衛星 OEM 廠商和服務提供商的市場驅動因素是什麽?

答:低地球軌道 (LEO) 和中地球軌道 (MEO) 通信星座衛星的主要驅動因素是對網路帶寬的需求不斷飙升。這種預期的帶寬增長是由幾個宏觀趨勢驅動的,如向雲計算的轉變、物聯網連接、人工智慧的增長,以及對流媒體服務不斷增長的需求。增加衛星帶寬將對總體帶寬需求産生倍增效應,因爲它能夠觸及目前地面服務提供商服務不到位的市場。這些中低軌道星座將提供實現全球完全互聯互通所需的通信主幹。

問:這些衛星開發人員面臨的普遍挑戰是什麽?

答:在較低軌道上部署數百顆甚至數千顆衛星將爲系統架構師和開發人員帶來壹些巨大挑戰。壹顆衛星的成本,包括發射成本,必須比對地靜止軌道 (GEO) 衛星和深空衛星降低至少壹個數量級,才能使該解決方案在經濟上可行。同時,還必須最大限度提高每顆衛星的吞吐量能力,才能滿足不斷增長的帶寬需求。鑒于美國聯邦通信委員會和其它政府機構會限制可發射衛星的數量,因此優化每顆衛星的吞吐量尤爲重要。

此外,低軌道衛星的典型預期壽命爲 3 到 7 年,因此開發周期需要比曆史速度快 2 至 3 倍,才能跟上更新換代的步伐。這使得對于今天蓬勃發展的衛星市場上的 OEM 廠商而言,加速産品上市進程更爲重要。

問:他們面臨的電源挑戰是什麽?

答:在提高吞吐量的同時縮減衛星尺寸和成本的雙重要求,促使衛星開發人員實施他們所能找到的最先進的通信技術。這項工作的關鍵要素之壹是使用先進通信處理器。這些處理器反過來需要先進的電源解決方案,能提供極低(1V 以下)的電壓和可能超過 130A 的電流。此外,這些解決方案還必須具有很高的功率密度,能最大限度減少電路板的空間和重量,同時還能爲任務保持適當程度的耐輻射性。

傳統的航天電源解決方案只能提供這些應用所需的壹小部分電流,而且占用的面積更大。 因此衛星開發人員不得不尋找創新的方法來解決該問題。除了技術挑戰外,這些大型星座中的壹個星座可能就需要數以萬計的電源轉換器,這比傳統的太空基礎架構曆史上所能支持的高幾個數量級。

問:Vicor 在應對這些挑戰時運用了哪些獨特的功能?妳們采用什麽電源架構和半導體平台,爲什麽?

答:Vicor 通常將其經過驗證的分比式電源架構 (FPA™) 用于耐輻射産品。FPA 可提供壹個可靠的架構,爲處理器電源提供低電壓/大電流解決方案。Vicor FPA 解決方案經過超過 15 年的長期發展,不僅部署在高性能計算、航空航天與國防應用中,而且最近也部署在人工智慧應用中。

爲了實現並保持我們的全球技術領先地位,我們長期以來壹直設計自己的控制芯片,以充分利用我們獨特的拓撲和封裝。對于其它半導體組件,我們與業界頂級供應商合作,並使用任何有助于我們獲得 Vicor 模組最佳性能的組件。我們爲耐輻射産品使用相同的方法,這使我們實現的密度比競爭對手提升了至少 3 至 5 倍(圖 1)。

問:如何確保低雜訊以實現可靠的功率完整性?

答:Vicor FPA 組件的壹個重要屬性是:與其它解決方案相比,它們産生的雜訊很小,所需的濾波也顯著降低。FPA 將穩壓功能從變壓功能中分離出來,使我們能夠將極低雜訊的 VTM 模組盡可能地布置在信號完整性至關重要的負載附近。(耐輻射 FPA 解決方案)

問:妳們是如何達到 Vicor 部件的耐輻射標准的?

答:耐輻射是壹個寬泛的術語,用來指新太空衛星應該在中低軌道高度上提供足夠耐輻射性,而不是通常用于 GEO 及更深層太空任務的“抗輻射”設備。這些要求似乎只針對特定應用,而且在壹定程度上是可以協商的。Vicor 産品設計並測試的總電離劑量 (TID) 爲 50krad,單事件效應 (SEE) 等級爲 35 MeV-cm2/mg。此外,我們的部件不受單壹事件功能中斷 (SEFI) 影響。我們通過在每個模組中使用冗余的供電鏈和專有的控制電路,實現 SEFI 抗擾性。

問:妳們還使用其它什麽環境條件來測試這些産品的堅固性和可靠性嗎?

答:我們對 MIL-STD-810 進行的測試與我們對我們的堅固耐用的 MIL-COTS 轉換器所做的測試壹樣,測試包括 沖擊、振動和溫度循環等事宜。對于太空應用來說,這可能有點過了,但這是我們標准認證流程的壹個組成部分,以確保我們有最堅固耐用的設計。

問:在未來幾年中,您預計這些産品會增加哪些增強功能?

答:我們已經在著手提高我們現有産品的效率和耐輻射性。我們的 FPA 模組具有固有的靈活性,爲不同母線和負載電壓開發不同的部件相對容易。當前解決方案是將壹個標准 100V 衛星母線轉換成 0.8V/150A 和 3.3V/50A 的處理器電壓,除了這個之外,我希望我們不僅將開發壹款類似的 28V 處理器加載解決方案,而且還將開發各種解決方案,可采用衛星母線並創建壹個隔離式的穩壓 28V、15V 或 12V 母線,爲其它類型的下遊負載供電。

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圖 2:  Vicor 耐輻射電源模組與當前最佳解決方案相比,可提供 3 至 5 倍的功率密度提升,並可爲 100V 母線應用銳降 50% 的功耗。

本文最初由《Microwave Journal》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、産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。他畢業于馬薩諸塞大學,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,他在寶威電源 (Power-One) 工作,擔任産品市場營銷副總裁兼全球戰略銷售總監。

Rob Russell

作者:Rob Russell,衛星事業部副總裁

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