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耐辐射电源电子产品是填补卫星基础设施空白的关键

Vicor 的专利耐辐射电源模块解决方案助力波音公司将可靠的高速宽带连接的访问扩展到世界各地。

Satellite image

作者:Rob Russell,卫星事业部副总裁

波音 O3b 计划采用模块化方法满足近地轨道卫星需求

当前卫星通信基础设施不足,无法满足全球对高可靠高速宽带连接无穷无尽的需求。这一不足正在推动中低轨道通信卫星星座的快速设计、开发与部署。这些星座将环绕地球,把无缝宽带连接送入地球的每个角落,而地面解决方案根本无法做出这一承诺。

波音公司是美国联邦通信委员会批准设计、制造和发射中低轨道卫星的几家 OEM 厂商之一。波音 O3b 项目旨在为访问高速互联网受限或根本无法访问高速互联网的“其他 30 亿人”(O3b) 提供宽带连接。O3b 等近地轨道卫星设计的一项重要挑战是:在不增加供电网络 (PDN) 尺寸和重量的情况下,为支持高功耗先进通信电路提供所需的电源。为了解决这一难题,电源解决方案需要具有高度的灵活性和可扩展性,才能适应未来所有不可预见的设计变化或修改。由于部署计划的加速,快速上市对于保持项目按计划进行至关重要。

太空生存

太空是一个充满危险的无情环境,尤其是对于电子组件而言,原因有很多,包括急剧的温度变化、振动和辐射暴露等。但所需的防辐射等级取决于卫星运行的轨道。较高轨道的地球同步卫星 (GEO) 需要抗辐射部件,因为它们位于范艾伦辐射带之外,因此暴露在辐射度更大的辐射中。GEO 卫星的预期运行寿命是中低轨道卫星的 3 至 4 倍,这也增加了辐射暴露的时间。中低轨道卫星在范艾伦辐射带内的较低轨道上运行,辐射暴露较少,因此,耐辐射部件足矣。有人会说,现成商用 (COTS) 产品足以满足近地轨道卫星的工作需求,但即使在辐射度较低的情况下,这也是有风险的。为了谨慎起见,需要一定程度的防辐射度,以确保卫星的正常运行和占空比。毕竟,如果那个价值 0.25 美元的 COTS 部件在太空中出现故障,导致一颗价值数百万美元的卫星无法运行,我们不可能派一位维修技术人员去修理。

高功率密度的耐辐射解决方案

作为使用 COTS 电源解决方案的替选方案,耐辐射的模块化供电方案不仅可提供防辐射保护,同时还可提供业界最高的功率密度。此外,在其架构以及实施过程中,该方案还具有超高的灵活性和可扩展性(图 1)。

Vicor module and PDN illustration

图 1:Vicor 模块和 PDN 示意图显示了实施的便捷性。

Vicor 与波音公司在 O3b 项目上合作密切,带来了一个高性能解决方案。Vicor 耐辐射 DC-DC 转换器电源模块采用 Vicor 最新电镀 SM-ChiP™ 封装,能够通过 100V 标称电源为高达 300V 的低压 ASIC 供电。在每个模块中使用冗余架构实现针对单粒子翻转的抗扰度,其中两个带容错控制 IC 的相同并行供电链均采用统一的高密度 SM-ChiP™ 封装(图 2)。

A dual powertrain, fault-tolerant design image

图 2:双路供电链容错设计。

高级通信卫星需要高功率密度和低噪声。Vicor 软开关高频率 ZCS/ZVS 可降低电源系统本底噪声,不仅可减少滤波需求,同时还能以必备的高可靠性实现信号完整性和总体系统性能。

从电源到负载点的完整解决方案由四个 SM-ChiP 组成:一个 BCM3423(标称 100V、300W K = 1/3 的母线转换器,采用 34 x 23 毫米封装)、一个 PRM2919(33V 标称 200W 稳压器,采用 29 x 19 毫米封装)和两个 VTM2919 电流倍增器(一个 K = 1/32,电流为 150A 时,输出电压为 0.8V;一个 K = 1/8,电流为 50A 时,输出电压为 3.3V)。该解决方案直接通过 100V 电源为 ASIC 供电,采用的外部组件极少,工作噪声很低。

所有模块均采用 Vicor 高密度 SM-ChiP 封装,支持 BGA(球栅阵列)连接。ChiP 的工作温度为 -30 ~ 125°C。

实现新一代“新太空”性能所需的创新

分立式电源解决方案和模块化电源解决方案之间存在一些主要的区别。为了实现 O3b 极具挑战性的目标,模块化方法在几个重要领域表现出色。如欲了解支持表中所示结论的更多详情,敬请阅读完整的 PDN 白皮书

Vicor power module vs. discrete comparison matrix

Rob Russell 现任卫星业务开发副总裁,他在 Vicor 公司已工作 10 多年,担任过战略市场营销、产品市场营销以及业务开发等各种职务。Rob Russell 在电子行业拥有超过 29 年的丰富销售及市场营销经验。他毕业于马萨诸塞大学,先后获电气工程学士学位和工商管理硕士学位。在加入 Vicor 之前,他在 Power-One 工作,担任产品市场营销副总裁兼全球战略销售总监。

Rob Russell

Rob Russell,卫星事业部副总裁

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