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面向新太空應用的緊湊、高密度高效率 DC-DC 解決方案

更高性能的近地軌道處理需要新一代電源。

衛星運營商提供越來越高級的板載處理功能，需要使用最新的超深亞微米 FPGA 和 ASIC。這些器件具有要求嚴苛、低電壓、大電流、高功率需求，OEM 廠商正面臨著從更小有效載荷及平臺提供更多功能的挑戰。成本和上市時間也是重要的驅動因素！

相對而言，衛星越小，獲得的能量就越少，隨著運營商越來越多地使用更快、更多的機載處理，需要為有效載荷提供盡可能多的電源預算。傳統配電架構包含一款隔離式 DC-DC 降壓產品，為外部母線輸入降壓，緊隨其後的是本地化 POL，產生所需的負載電壓，由於 I²R 壓降很大，因此效率太低。要完成新一代新太空任務，需要在轉換損耗、功率密度、物理尺寸以及與最新超深亞微米器件的開關速度相配的瞬態響應方面改進。

Vicor 公司榮獲專利的分比式電源架構 (FPA™) 采用模組化方法取代常規中間配電，它包含一個隔離式 DC-DC 產品，後接降壓磚型產品，可最大限度降低 I²R 配電損耗，最大限度提高效率並可改善瞬態響應。

FPA 由兩個階段組成：先穩壓，隨後變壓。首先，升降壓拓撲用於從外部電源生成 48V 中間電壓，其明顯高於通常輸入 POL 的較低的原有母線。例如，功率相同 (P = VI) 時，48V 輸出母線需要的電流是 12V 中間母線的 1/4，PDN 損耗等於該電流的平方 (P = I²R)，因此其可降低至原來的 1/16 。首先放置一款穩壓器來產生 48V 電壓，可實現最高效率，從而可幫助較小的衛星充分利用更多能源。

FPA 的第二階段使用變壓器將 48V 中間電壓變成所需的負載電壓，例如 1V。輸出是輸入的固定比例（K 因數），由匝數比定義。逐步降低電壓，會讓電流相應增加，例如，一個 1A 的輸入電流將乘以 48A 的輸出電流：

一個預穩壓模組 (PRM™) 和一個變壓模組 (VTM™) 電流倍增器結合在一起，就會得到該 FPA，每個器件都履行其特殊的職責，將實現完整的 DC-DC 轉換。PRM 從一個後接 VTM 的未穩壓輸入生成一個穩壓的「分比式母線」，VTM 會將 48V 逐步變壓為所需的負載電壓。

VTM 的高帶寬無需大型負載點電容。即使沒有任何外部輸出電容器，VTM 的輸出在應對突然出現的功率激增時對電壓的擾動也非常有限。極少的外部旁路電容（低 ESR/ESL 陶瓷電容器的形式）足以消除任何瞬態電壓過沖。VTM 沒有對內部控製環路強製實行帶寬限製以維持穩壓，而是提供獨特的電容倍增特性。例如，當使用 1/48 K 因數時，有效的分流輸出電容是輸入電容的 2304 倍，即 C_SEC = C_PRI * K²。也就是說，不僅顯著減少了 VTM 下遊所需的去耦，而且其輸入端僅少量的電容所提供的能量存儲將與通常為傳統 1V 輸出降壓磚形產品添加的大型鉭所提供的能量一樣，如圖 1 所示。

低阻抗是為低電壓、大電流負載高效供電的重要要求，使用 VTM 也可減少 K²在二次側遇到的有效電阻。這使得 VTM 可橫向或縱向地布置在負載位置，實現損耗較低的 PDN。FPA 較低電流、較高電壓的中間母線意味著，PRM 可以在物理上遠離 VTM，而不影響效率。在決定將 PRM 放在哪裏時，這將為您帶來更高的靈活性，減少對負載位置的區域擁塞問題的擔心，更自由的調節功率層的尺寸以適應最大的電流密度。這種平面布置與傳統磚型產品方案差別很大，磚型產品方案需要將隔離式 DC-DC 組件與 POL 靠得很近以最大限度降低 I²R 配電損耗。

圖 1: 這些圖展示了 FPA 與傳統中間架構的對比。

目前的航天級隔離式 DC-DC 產品和降壓 POL 都是基於 PWM 的器件，其輸出功率與開關頻率的占空比成正比。這些硬開關轉換器使用方波驅動電感或變壓器， MOSFET 在開通和關斷過程中損耗能量。方波包含大量諧波，必須將其過濾掉，否則它們就會在整個系統中傳導或輻射。VTM 的拓撲在一次繞組中使用正弦電流，可產生更幹凈的輸出雜訊頻譜，因此需要的濾波較少。現有航天級降壓穩壓器和正反激 DC-DC 產品所指定的效率範圍分別在 67 — 95% 之間以及 47 — 87% 之間。

現在有 12 家航天級開關 POL 供應商，可提供近 30 種非隔離轉換器。輸入電壓為 3 ~ 16V，負載電壓為 0.785 ~ 9.6V，電流為 4 ~ 18A，開關頻率從 100kHz 至 1MHz 不等。我在前面介紹了降壓拓撲的轉換理論、選擇航天級部件時要考慮的標準以及如何選擇電感、輸入和輸出電容的值。

目前有 7 家航天級隔離 DC-DC 產品廠商，提供 30 多個系列的部件，既可產生單重、雙重或三重標準的電壓，在某些情況下，也可產生可調、穩壓、降壓中間輸出。功率額定值從 2.5 至 500W 不等。前面我介紹過正反激拓撲的轉換理論。

為了滿足未來新太空星座的配電及低電壓、大電流需求，Vicor 正在對其新穎的正弦振幅轉換器 (SAC™) 拓撲進行優化，以滿足航天應用的需求。與現有航天級 DC-DC 產品相比，這種榮獲專利的 ZCS/ZVS 技術可提供更高的效率、更大的功率密度以及更低的 EMI 輻射。SAC 是一種基於變壓器的串聯諧振正激架構，其工作頻率是固定的，與諧振腔的諧振頻率相等，如圖 2 所示。

圖 2: 全橋 SAC 串行諧振拓撲比現有航天級 DC-DC 產品更具優勢。

一次側的 FET 固定工作在諧振頻率下，在零電壓條件下開通，不僅可消除功耗，而且還可提高效率。諧振時，電感和電容電抗相互抵消，可最大限度降低輸出阻抗，其可變成純電阻，降低壓降。所帶來的極低輸出阻抗允許 VTM 瞬間（不足 1μs）響應負載的階躍變化。流過諧振腔的電流是諧波較低的正弦波，不僅可帶來更幹凈的輸出噪聲頻譜，而且需要的負載電壓濾波也較少。

SAC 的正激拓撲可將輸入能量傳遞至輸出可最大限度降低初級線圈的泄漏電感，因為它不是重要的存儲元件。SAC 正激拓撲的獨特工作可通過更低的固有損耗實現更高的開關頻率以及對更小磁性材料的使用。由此帶來的效率提升意味著在轉換過程中浪費的電源更少，這不僅可簡化熱管理，而且還允許從更小的封裝帶來更大的輸出電流以及更高的功率密度。更快的工作可更頻繁地將能量傳輸至輸出，從而可將動態負載變化的瞬態響應改善至幾個周期。

Vicor 計劃將各種 DC-DC 產品送入軌道。波音公司已經為一顆提供太空互網路的 O3b 衛星設計了部件，並消除了風險。最初將提供四款耐輻射 DC-DC 產品：

一款 300W，9A, 功率密度 849W/in3，隔離式 ZVS/ZCS，SAC 母線轉換器模組 (BCM3423PA0A35C0S)，接受 94 至 105V 的 DC 電源，可輸出 31 至 35V 的固定負載電壓（為輸入的 1/3）。其封裝尺寸為 33.5 × 23.1 × 7.4 毫米，重量為 25.9 克，最高環境效率指定為 94%。
一款 200W，7.7A，功率密度797W/in³，非隔離式 ZVS 升降壓穩壓器 (PRM2919P36B35B0S)，接受 30 至 36V 的輸入，可輸出 13.4 至 35V 的可調負載電壓。其封裝尺寸為 29.2 × 19.0 ×7.4 毫米，重量為 18.2 克，最高環境效率指定為 96%。
一款 200W，50A，功率密度1204W/in³，隔離式 ZVS/ZCS，SAC DC-DC 產品 (VTM2919P32G0450S)，接受 16 至 32V 的線路電圧，可輸出 2 至 4V 的固定負載電壓（為輸入的 1/8）。其封裝尺寸為 29.2 × 19.0 × 4.9 毫米，重量為 11 克，最高環境效率指定為 93%。
一款 150W，150A，功率密度 903W/in³，隔離式 ZVS/ZCS，SAC DC-DC 產品 (VTM2919P35K01A5S)，接受 13.4 至 35V 的線路電圧，可輸出 0.42 至 1.1V 的固定負載電壓（為輸入的 1/32）。其封裝尺寸為 29.2 × 19.0 × 4.9 毫米，重量為 13.3 克，最高環境效率指定為 91%。

四款 DC-DC 產品都采用冗余系統架構進行設計，該架構包含兩個支持容錯控製的相同並行供電鏈，可充分滿足單事件效應 (SEE) 的需求。為了降低製造成本，部件采用電鍍環氧模壓樹脂 BGA 封裝，導熱性極好，帶有 SM‑ChiP™ 標誌，與標準表面貼裝、取放及回流裝配工藝兼容（圖 3）。這些 DC-DC 是 EAR99，指定溫度範圍為 -40 至 125°C，提供各種過壓、短路電流、欠壓和熱保護特性。目標總劑量為 50kRad (Si)，SEE 和其它可靠性資料將在今年晚些時候發布。現已開始提供產品說明書。此外，還可訂購定製的輸入輸出選項。

BCM, PRM, and VTM rad-tolerant DC-DC images

圖 3: Vicor 將提供這些新的 BCM、PRM 和 VTM 耐輻射 DC-DC 產品。

為了突出新的耐輻射 DC-DC 提供的優越密度，圖 4 和圖 5 分別對其相對尺寸與現有的空間級開關 POL 和隔離 DC-DC 進行了比較。每個轉換器的功率密度（單位為 W/in³）、效率（單位為 %）和電流密度（單位為 A/in²）分別用藍色、橙色和紅色標註。通常針對不同的負載條件指定一系列效率，每個資料表的最大值如下所示。