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耐輻射電源電子產品是填補衛星基礎設施空白的關鍵

Vicor 的專利耐輻射電源模組解決方案助力波音公司將可靠的高速寬帶連接的訪問擴充到世界各地。

Satellite image

作者:Rob Russell,衛星事業部副總裁

波音 O3b 計劃采用模組化方法滿足近地軌道衛星需求

當前衛星通信基礎設施不足,無法滿足全球對高可靠高速寬帶連接無窮無盡的需求。這一不足正在推動中低軌道通信衛星星座的快速設計、開發與部署。這些星座將環繞地球,把無縫寬帶連接送入地球的每個角落,而地面解決方案根本無法做出這一承諾。

波音公司是美國聯邦通信委員會批準設計、製造和發射中低軌道衛星的幾家 OEM 廠商之一。波音 O3b 項目旨在為訪問高速互聯網受限或根本無法訪問高速互聯網的「其他 30 億人」(O3b) 提供寬帶連接。O3b 等近地軌道衛星設計的一項重要挑戰是:在不增加供電網路 (PDN) 尺寸和重量的情況下,為支持高功耗先進通信電路提供所需的電源。為了解決這一難題,電源解決方案需要具有高度的靈活性和可擴充性,才能適應未來所有不可預見的設計變化或修改。由於部署計劃的加速,快速上市對於保持項目按計劃進行至關重要。

太空生存

太空是一個充滿危險的無情環境,尤其是對於電子組件而言,原因有很多,包括急劇的溫度變化、振動和輻射暴露等。但所需的防輻射等級取決於衛星運行的軌道。較高軌道的地球同步衛星 (GEO) 需要抗輻射部件,因為它們位於範艾倫輻射帶之外,因此暴露在輻射度更大的輻射中。GEO 衛星的預期運行壽命是中低軌道衛星的 3 至 4 倍,這也增加了輻射暴露的時間。中低軌道衛星在範艾倫輻射帶內的較低軌道上運行,輻射暴露較少,因此,耐輻射部件足矣。有人會說,現成商用 (COTS) 產品足以滿足近地軌道衛星的工作需求,但即使在輻射度較低的情況下,這也是有風險的。為了謹慎起見,需要一定程度的防輻射度,以確保衛星的正常運行和占空比。畢竟,如果那個價值 0.25 美元的 COTS 部件在太空中出現故障,導致一顆價值數百萬美元的衛星無法運行,我們不可能派一位維修技術人員去修理。

高功率密度的耐輻射解決方案

作為使用 COTS 電源解決方案的替選方案,耐輻射的模組化供電方案不僅可提供防輻射保護,同時還可提供業界最高的功率密度。此外,在其架構以及實施過程中,該方案還具有超高的靈活性和可擴充性(圖 1)。

Vicor module and PDN illustration

圖 1:Vicor 模組和 PDN 示意圖顯示了實施的便捷性。

Vicor 與波音公司在 O3b 項目上合作密切,帶來了一個高性能解決方案。Vicor 耐輻射 DC-DC 轉換器電源模組采用 Vicor 最新電鍍 SM-ChiP™ 封裝,能夠通過 100V 標稱電源為高達 300V 的低壓 ASIC 供電。在每個模組中使用冗余架構實現針對單粒子翻轉的抗擾度,其中兩個帶容錯控製 IC 的相同並行供電鏈均采用統一的高密度 SM-ChiP™ 封裝(圖 2)。

A dual powertrain, fault-tolerant design image

圖 2:雙路供電鏈容錯設計。

高級通信衛星需要高功率密度和低雜訊。Vicor 軟開關高頻率 ZCS/ZVS 可降低電源系統本底雜訊,不僅可減少濾波需求,同時還能以必備的高可靠性實現信號完整性和總體系統性能。

從電源到負載點的完整解決方案由四個 SM-ChiP 組成:一個 BCM3423(標稱 100V、300W K = 1/3 的母線轉換器,采用 34 x 23 毫米封裝)、一個 PRM2919(33V 標稱 200W 穩壓器,采用 29 x 19 毫米封裝)和兩個 VTM2919 電流倍增器(一個 K = 1/32,電流為 150A 時,輸出電壓為 0.8V;一個 K = 1/8,電流為 50A 時,輸出電壓為 3.3V)。該解決方案直接通過 100V 電源為 ASIC 供電,采用的外部組件極少,工作雜訊很低。

所有模組均采用 Vicor 高密度 SM-ChiP 封裝,支持 BGA(球柵陣列)連接。ChiP 的工作溫度為 -30 ~ 125°C。

實現新一代「新太空」性能所需的創新

分立式電源解決方案和模組化電源解決方案之間存在一些主要的區別。為了實現 O3b 極具挑戰性的目標,模組化方法在幾個重要領域表現出色。如欲了解支持表中所示結論的更多詳情,敬請閱讀完整的 PDN 白皮書

Vicor power module vs. discrete comparison matrix

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、產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。他畢業於馬薩諸塞大學,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 Power-One 工作,擔任產品市場營銷副總裁兼全球戰略銷售總監。

Rob Russell

Rob Russell,衛星事業部副總裁

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