作者：Ken Coffman，高級現場應用工程師； Salah Ben Doua， 首席應用工程師

為減少衛星與地面之間成本高昂的通信流量，衛星平台正在搭載更強的處理能力。為滿足額外的在軌計算需求，信號與數據處理硬件、系統功率及負載點（PoL）要求必須相應提升。由於硬切換轉換器在尺寸、效率及電磁干擾方面存在缺陷，促使系統工程師與電源設計師轉而考慮更先進的電源拓撲結構。

隨著現代 ASIC、FPGA、CPU 和 GPU 的物理尺寸不斷增大，以及對散熱解決方案的需求提升，這些大晶片周邊的電路板佈局面積變得尤為珍貴。 這些芯片需要電壓持續降低而電流不斷增大，囙此需要優化供電網路（PDN）。

在這種情況下，將 PDN 的任務劃分為兩個部分是一種有效的策略：一部分為可靈活放置的穩壓模組，另一部分為盡可能靠近負載的供電模組。 這正是 Vicor 分比式電源架構（FPA™） 的覈心理念。

軟切換拓撲能够以較低的諧波雜訊實現較高的基波轉換頻率，相較於硬切換轉換器具有顯著優勢。

相比硬切換多相拓撲結構：

1. 零電壓切換（ZVS）與零電流切換（ZCS）拓撲可在最高的實際頻率下運行，節省空間並降低功率損耗。
2. ZVS/ZCS 拓撲不會產生高頻諧波雜訊。
3.  Vicor 轉換器的工作頻率超過 1MHz，避免了存在於 100–500kHz 的有害雜訊。
4. 低諧波特性與高基波轉換頻率，使得雜訊濾波器的實現方案更為緊湊。

Vicor 電源模組的工作頻率高於 1MHz，可幫助工程師創建低共模（CM）和差模（DM）雜訊設計，在合理佈局組件和優化設備互連的前提下效果更佳。

與往常一樣，輸入與輸出濾波器仍是必要配寘，且需精確設計與合理放置。 但 Vicor 轉換器的固有特性簡化了這項任務。

分比式電源：高效實現大電流、低電壓供電

衛星電源系統設計師面臨的重大挑戰：

1. 負載電流需求從數十安培增至數百安培。
2. 負載瞬態回應需更快且容差視窗更小。
3. 需進一步降低供電網路的損耗與阻抗。
4. 更多地採用更高電壓母線，以减小導體尺寸。

除了日益提升的電力效能需求外，太空環境還新增了輻射總電離劑量（TID）和單粒子效應（SEE）要求。在某些情况下，新太空領域追求更小巧、更快速、更經濟的太空平臺與發射方案，促使耐輻射設計方法作為成本更低的抗輻照加固替代方案被廣泛採用。這種新方法根據特定任務確定可接受的效能與可靠性水准，然後綜合權衡尺寸、重量與功耗（SWaP）及成本效益，開發電路板與電子設備。 這種設計策略適用於範艾倫（Van Allen）輻射帶內的低地球軌道（LEO）和中地球軌道（MEO）衛星。

要優化大電流、高密度供電網路，需要採用全新的方法，而分比式電源架構（FPA）正是理想選擇。 Vicor 的新太空 FPA 將 PDN 分為三級：固定比率、非穩壓隔離式 DC-DC 轉換器（BCM®） 與隔離和變壓模組（VTM™） 將電壓從一個電平轉換至另一個電平； 預穩壓模組（PRM™） 穩壓器負責穩壓，並在輸入電壓和輸出負載發生變化時將轉換器輸出電壓控制在目標值範圍內。

在當前一代 Vicor 新太空轉換器中，第一級非穩壓 BCM 實現與航天器母線的隔離，並為下游轉換器提供供電電壓，同時通過電壓變換生成與下游轉換器兼容的中間母線電壓。現有 BCM 設計採用 3:1 變壓比，可將 100V_DC 轉換為 33V_DC，目前正在研究評估其他變壓比方案，以支持其他母線電壓。

第二級 PRM 模組則實現精確的輸出電壓調節，其可調輸出電壓範圍覆蓋 13.4V 至 35V。

第三級 VTM 承擔供電職能，負責將 PRM 輸出的較高電壓轉換為負載所需的電壓。目前支持 8:1 和 32:1 兩種變壓比。 由於其輸入到輸出電流變換比與電壓變換比呈倒數關係，VTM 被稱為“電流倍增器”。例如，向 8:1 變壓比的 VTM 注入 6A 電流，可獲得 48A 輸出電流。

為新太空應用設計低雜訊分比式電源架構

BCM、PRM 和 VTM 是構成分比式電源架構的關鍵組件。 當前一代耐輻射新太空 BCM 採用 Vicor 專利正弦振幅轉換器（SAC™） 拓撲，峰值效率高達 96.9%，效能表現令人矚目。

Vicor 的 PRM 模組採用專利的零電壓切换升降壓穩壓器控制架構，可實現高效的升壓與降壓穩壓及軟啟動功能。 當輸入電壓 V_IN 約等於輸出電壓 V_OUT 時效率最高，最新 PRM 的峰值效率高達 97%。

VTM 電流倍增器是一款高效的電壓變換模組，採用 Vicor 專有的 ZCS/ZVS 正弦振幅轉換器技術。 該轉換器可轉換出具有高頻譜純度和共模對稱性的近純正弦波波形。 這些特性意味著它不會產生硬切換 PWM 轉換器常見的諧波含量，並將雜訊降至最低。其控制架構將工作頻率鎖定為動力系統的諧振頻率，實現了高達 97% 的效率，並通過有效消除無功分量來最小化輸出阻抗。 這種極低的非感性輸出阻抗使其能對負載電流的階躍變化做出近乎暫態的響應。

VTM 可在 1 微秒內響應任意幅度的負載變化。VTM 的高頻寬可避免對大容量負載點電容的需求。 即使沒有任何外部輸出電容，VTM 的輸出在應對突發功率激增時也只會出現有限的電壓擾動。少量的外部旁路電容（採用低等效串聯電阻/等效串聯電感（ESR/ESL）陶瓷電容）即可最大限度地抑制輸出瞬態電壓過沖。

由於 VTM 不存在容性或感性儲能，其行為幾乎是透明的，可將大容量電容佈置在輸入電壓側——此舉能充分利用電壓平方項與線性電壓變壓比。

Ej =儲能（焦耳）
C =電容（F）
V =電壓（V）

以 Vicor VTM 模組為例，在 8:1 的變壓比下，28V / 25µF 的輸入電容與 3.3V / 1600µF 的輸出電容在儲能效果上非常接近（見圖 1）。

由於 VTM 幾乎“透明”，輸入與輸出之間的電容轉換比有助於應對脈衝負載。 這種轉換機制意味著：在較高電壓下使用較小的電容值，即可滿足脈衝負載需求。

Vicor 的耐輻射新太空 VTM 在 8:1 變換比（3.3V / 50A）下的峰值效率為 94.7%，在電流更大、32:1 變換比（0.8V / 150A）時峰值效率為 92.9%。

以 FPA 方式進行儲能與動態響應

圖 1：採用 Vicor PRM 與 VTM 模組構建的更高效、更靈活的分比式電源架構（FPA）。