卫星运营商正在提供越来越复杂的机载处理能力，对功率要求苛刻、低电压、高电流
作者：Salah Ben Doua，Vicor
较小的卫星获取的能量较少，随着运营商越来越多地使用更快、更多的机载处理，尽可能多的功率预算应该可用于有效载荷。传统的配电架构包括隔离的DC-DC以降压外部总线输入，然后是局部POL，由于I²R的大幅度下降，其效率变得太低。为了实现下一代太空任务，需要在转换损耗、功率密度、物理尺寸和与最新超深亚微米器件的开关速度兼容的瞬态响应方面进行改进。
 

图1：FPATM与传统中间架构的对比

Vicor的因数分解电源架构（FPA）使用模块化方法来最大限度地减少I²R配电损耗，最大限度地提高效率并改善瞬态响应。FPA包括两个级：稳压和转换。首先，降压-升压拓扑用于从外部电源生成48V中间轨，该中间轨明显高于通常输入到POL的较低传统总线。例如，对于相同的功率（P=VI），48V输出总线所需的电流是12V中间总线的四倍，PDN损耗是电流的平方（P=I²R），减少了16。首先放置一个稳压器以产生48V的电压可以获得最高的效率。
 

图2：全桥SACTM系列谐振拓扑
 
FPA的第二级使用变压器将48V中间轨道转换为所需的负载电压。输出是由匝数比定义的输入（K因数）的固定分数。降压使电流增加相同的量，例如，1A的输入电流将乘以48A的输出：



预稳压模块（PRM）和电压变换模块（VTM）电流倍增器结合起来实现FPA，每个器件都发挥其作用，实现完整的DC-DC转换。PRM从未稳压的输入生成稳压的“因数分解总线”，然后是VTM，VTM将48V转换（降压）为所需的负载电压。
VTM的高带宽无需大的负载点电容。即使没有任何外部输出电容器，VTM的输出也表现出有限的电压扰动，以响应突然的功率浪涌。最小量的外部旁路电容（以低ESR/ESL陶瓷电容器的形式）足以消除任何瞬态电压过冲。VTM不受难以维持稳压的内部控制回路的带宽限制，提供了独特的电容倍增功能。
例如，当使用1/48的K因数时，即C_sec = C_pri * K²，有效分流输出电容是输入电容的2304倍。这意味着VTM下游所需的去耦要少得多，并且在其输入处，只有少量电容提供与通常添加到传统降压砖1V输出的笨重钽相同的能量存储，如下所示。低阻抗是有效地为低电压、高电流负载供电的关键要求，并且VTM的使用还降低了从次级侧看K²的有效电阻。这允许VTM被横向或垂直地放置在负载处，从而产生较低的损耗PDN。FPA的低电流、高电压中间总线意味着PRM可以在物理上远离VTM而不影响效率。这使您在决定将PRM放置在何处时具有更大的灵活性，减少了对负载区域拥塞的担忧，并使您可以更自由地确定功率平面的大小以获得最大电流密度。这种规划与传统的砖砌方法非常不同，传统的砖式方法需要隔离的DC-DC和POL紧密地连接在一起，以最大限度地减少I2R配电损失！
目前的空间级隔离DC-DC和降压POL是基于PWM的器件，其输出功率与开关频率的占空比成比例。这些硬开关转换器使用方波来驱动电感器或变压器，MOSFET在其打开和关闭时消耗能量。方波包含许多谐波，必须进行滤波，否则它们将在整个系统中传导或辐射。VTM的拓扑结构在初级绕组中使用正弦电流，产生更清洁的输出噪声频谱，需要更少的滤波。现有的空间认证的降压稳压和正向/反激直流DC的效率分别在67%至95%和47%至87%的范围内。
为了满足未来NewSpace星座的配电以及低电压、高电流需求，Vicor正在为其正弦幅度转换器（SAC）拓扑结构进行太空应用认证。与现有的空间级DC-DC相比，ZCS/ZVS技术提供了更高的效率、更大的功率密度和更低的EMI发射。SAC是一种基于变压器的串联谐振正向架构，其工作频率固定，等于主储能电路的谐振频率，如下所示：
初级侧的FET被锁定到串联储能电路的固有谐振频率，并在零电压交叉点进行开关，从而消除了功耗并提高了效率。在谐振时，电感和电容电抗抵消，使输出阻抗最小化，而输出阻抗变为纯电阻，从而降低下垂。由此产生的非常低的输出阻抗使VTM能够对负载的阶跃变化做出几乎即时的响应（<1µs）。流经储能器的电流是正弦曲线，其贡献较少的谐波含量，从而产生更清洁的输出噪声频谱，需要较少的负载电压滤波。
SAC具有正向拓扑结构，输入能量传递到输出。初级的漏电感被最小化，因为它不是一个关键的存储元件。SAC正向拓扑结构的独特操作实现了更高的开关频率和使用具有较低固有损耗的较小磁体。由此带来的效率提高意味着在转换过程中浪费的功率更少，从而简化了热管理，并允许更小的封装产生更多的输出电流和更大的功率密度。更快的操作更频繁地将能量转移到输出，从而将对动态负载变化的瞬态响应提高到几个周期。



图3：新型BCMTM、PRMTM和VTMTM耐辐射直流DC

1. 1.一个300 W，9 A，849 W/in³，隔离式，ZVS/ZCS，SAC总线转换器模块（BCM3423PA0A35C0S），接受来自94至105 V的直流电源，并输出31至35 V输入的1/3固定负载电压。最大环境效率规定为94%，封装尺寸为33.5 x 23.1 x 7.4 mm，重量为25.9 g。

 

2. 一个200 W、7.7 A、797 W/in³的非隔离ZVS降压-升压稳压器（PRM2919P36B35B0S），接受30至36 V的输入，输出13.4至35 V的可调负载电压。其最大环境效率规定为96%，封装尺寸为29.2 x 19.0 x 7.4 mm，重18.2 g。

 

3. 一个200 W，50 A，1204 W/in³，隔离，ZVS/ZCS，SAC DC-DC（VTM2919P32G0450S），它接受16到32 V的输入，并输出输入的1/8的固定负载电压，范围从2到4 V。它的最大环境效率规定为93%，封装尺寸为29.2 x 19.0 x 4.9 mm，重11 g。

 

4. 一个150 W，150 A，903 W/in³，隔离，ZVS/ZCS，SAC DC-DC（VTM2919P35K01A5S），它接受13.4到35 V的输入，并输出输入的1/32的固定负载电压，范围从0.42到1.1 V。它的最大环境效率规定为91%，封装尺寸为29.2 x 19.0 x 4.9 mm，重量为13.3 g。

四个DC-DC采用冗余系统架构设计，该架构包含两个相同的并联动力系统，并具有容错控制功能，以满足SEE要求。为了降低制造成本，这些零件被封装在具有优异导热性的电镀环氧树脂成型BGA中，品牌为SM-ChiP，与标准表面安装、拾取和回流装配工艺兼容。DC-DC为EAR99额定温度为-40至125°C，提供各种过压、短路电流、欠压和热保护功能。目标总干扰量为50kRad（Si），SEE和其他可靠性数据将于今年晚些时候发布。
为了突出新型耐辐射DC-DC提供的优越密度，图4和图5分别将其相对尺寸与现有的空间级开关POL和隔离DC-DC进行了比较。每个转换器的功率密度（W/in³）、效率（%）和电流密度（A/in²）分别用蓝色、橙色和红色标注。通常针对不同的负载条件指定一系列效率。


图4：空间认证的开关极与VTM2919的比较


图5：空间认证隔离DC-DC与BCM™ 和PRM™的比较

与现有认证的转换器相比，新型耐辐射、COTS、SAC DC-DC以更小的体积和更轻的外形尺寸大幅提高了输出功率、密度和效率。稳压后的电压明显更干净，整体去耦更少。从明年开始，这些部件将从明年开始提供，包括评估板。
 

图6：用于航天器航空电子设备的模块化100V配电解决方案

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