配电解决方案满足新闻空间应用的需求

文章作者:Rajan Bedi

一个模块化的100V电源分配解决方案提供了好处,以供应最新的超深亚微米空间级半导体。

卫星运营商正在提供越来越复杂的机载处理能力,这就需要使用最新的超深亚微米fpga和asic。这些产品对低电压、大电流的配电要求很高,oem公司正面临挑战,需要通过更小的有效载荷和平台提供更多的功能。成本和上市时间也是关键因素。

相对较小的卫星收集的能量更少,随着操作人员越来越多地使用更快和更多的机载处理,有一个要求,即尽可能多的电力预算可用于有效载荷。传统的配电架构包括隔离的DC-DC降压外部母线输入,然后局部的pol产生所需的负载电压,由于I大,效率变得太低2R滴。为了交付新空间的下一代任务,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切换速度兼容的瞬态响应方面进行改进。

Vicor公司的专利产品facised power Architecture (FPA)采用模块化方法,以最大限度地减少I2R分布损失,最大化效率,改善瞬态响应。

FPA包括两个阶段:电压调节,然后是变换。首先,用于从外部源产生48V中间导轨的降压 - 升压拓扑,这显着高于通常输入到POL的较低传统总线。例如,48V输出总线需要比12V中间总线相同的电流(P = VI),并且PDN损耗是电流的平方(P = i2R)减少了16.首先将调节器放置48V,实现最高效率,允许较小的卫星利用更多的收获能量。

FPA的第二阶段使用变压器将48V中间导轨转换为所需的负载电压,例如,1V。输出是由匝数比定义的输入(k因子)的固定分数。踩下电压通过相同的电流增加电流,例如,例如相同的量。A 1输入电流将乘以48A的输出:

Vin * Iin=(1/K * Vout) * (K * Iout)

预调节模块(PRM)和电压 - 变换模块(VTM)电流倍增器组合以实现FPA,每个设备都满足其专业角色以实现完整的DC-DC转换。PRM从未管制的输入生成受调节的“分解总线”,然后是VTM,其将48V转换(下降)到所需的负载电压。

VTM的高带宽避免了大负载点电容的需要。即使没有任何外部输出电容,VTM的输出在响应突然的功率浪涌时也表现出有限的电压扰动。最小数量的外部旁路电容(以低ESR/ESL陶瓷电容器的形式)足以消除任何瞬态电压超调。没有强加带宽限制的内部控制环路努力维持监管,VTM提供了一个独特的电容倍增功能。例如,当K系数为1/48时,即C,有效的分流输出电容是输入电容的2304倍= CPri.* K.2.这意味着VTM下游需要的解耦量要小得多,而且其输入端仅一小部分电容就能提供与传统的1V电压输出端添加的庞大钽相同的能量存储,如上图所示图1

低阻抗是高效供电低电压、高电流负载的关键要求,VTM的使用也降低了从二次侧看到的有效电阻K2.这允许VTM横向或垂直放置在负载处,导致较低损耗PDN。FPA的较低电流,高压中间总线意味着PRM可以在没有影响效率的情况下物理地远离VTM。这使您在决定将PRM放置的位置时更具灵活性,更少担心负载的区域拥塞以及更多的自由度到尺寸电源平面,以获得最大电流密度。这种落地规划与传统的砖种方法非常不同,这需要孤立的DC-DC和POL靠近一起以最小化I2R分布的损失。

vicor构思电源架构的电路图 图1这些图表显示了FPA如何与传统的中间架构进行比较。来源:Vicor权力

目前空间级、隔离dc - dc和降压pol都是基于pwm的器件,其输出功率与开关频率的占空比成正比。这些硬开关转换器使用方波驱动电感或变压器与MOSFET耗散能量,因为它是打开和关闭。方波包含许多必须过滤的谐波,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,产生更干净的输出噪声谱,需要更少的滤波。现有的符合空间条件的buck稳压器和正向/反激dc - dc分别指定67-95%和47-87%的效率范围。

今天,有12个空间级开关的供应商提供近30个非隔离转换器。输入电压范围为3至16 V,载荷电压和0.785至9.6V和4到18a的电流,开关频率为100 kHz至1 MHz。以前,我描述了转换理论对于buck拓扑,什么时候考虑什么标准选择空间限制部分,以及如何选择值用于电感,输入和输出电容。

有7家符合空间条件的隔离dc - dc供应商提供30多个系列的部件,产生单、双或三重标准电压,或在某些情况下,可调、调节、降压中间输出。功率额定范围从2.5到500 W。以前,我描述了转向前往和反激拓扑的理论

为了满足未来NewSpace星座的配电和低压、大电流需求,Vicor将其新颖的正弦幅度转换器(SAC)拓扑用于空间应用。与现有的太空级dc - dc相比,这种专利ZCS/ZVS技术提供更高的效率、更大的功率密度和更低的电磁干扰排放。SAC是一种基于变压器的串联谐振正向结构,其工作频率与一次油箱回路的谐振频率相等,如图所示图2

正弦波幅度变换器拓扑电路图 图2与现有的空间级dc - dc相比,全桥、SAC系列谐振拓扑具有优势。来源:Vicor权力

初级侧的FET被锁定到串联罐电路的自然谐振频率,并在零电压交叉点切换,消除功率耗散和提高效率。在共振时,电感和电容式电抗取消最小化输出阻抗,这变得纯粹是电阻的减小下垂。由此产生的非常低的输出阻抗允许VTM几乎瞬时响应(<1μs)以进行负载的步骤变化。流过罐的电流是一种源于谐波含量的正弦曲线,导致更清洁的输出噪声谱,需要较少过滤负载电压。

SAC具有前向拓扑,其输入能量传递到输出。初级的泄漏电感最小化,因为它不是关键存储元件。SAC前向拓扑的独特操作能够实现更高的开关频率和使用具有较低内在损耗的较小磁性。由此产生的效率的增加意味着在转换期间浪费了较少的功率,缓和热管理并允许从较小的封装中允许更多的输出电流和更大的功率密度。更快的操作更快地将能量传送到输出,更频繁地改善了对动态负荷变化的瞬态响应变为几个周期。

Vicor计划轨道轨道一系列DC-DCS。零件已经破坏和设计波音公司的O3b卫星提供基于空间的互联网.最初会提供四个耐辐射的dc - dc:

  1. A 300w, 9 A, 849 W/in3.,隔离,ZVS / ZCS,SAC总线转换器模块(BCM3423PA0A35C0S),它接受从94到105V的直流源,并输出输入的固定载荷电压1/3,范围为31至35V。其最大环境效率为33.5×23.1×7.4 mm的封装尺寸为94%,重量为25.9g。
  2. 200 W,7.7 A,797 W / IN3.,非隔离ZVS降压 - 升压调节器(PRM2919P36B35B0S),它接受30至36V的输入,并从13.4到35V输出可调节的负载电压。其最大环境效率为96%,封装尺寸为29.2×19.0×7.4 mm,重18.2克。
  3. 200 W,50 A,1204 W / IN3.,隔离,ZVS/ZCS, SAC DC-DC (VTM2919P32G0450S),它接受从16到32V的线电压,输出固定负载电压的输入1/8,范围从2到4V。其最大环境效率为93%,包装尺寸为29.2×19.0×4.9毫米,重11克。
  4. 150 w,150 a,903 w / in3.,隔离,ZVS/ZCS, SAC DC-DC (VTM2919P35K01A5S),接受13.4 ~ 35V的线电压,输出固定负载电压的1/32的输入,范围为0.42 ~ 1.1V。其最大环境效率规定为91%,包装尺寸为29.2×19.0×4.9毫米,重13.3克。

为了满足单事件效应(SEE)的要求,这四个dc - dc采用了包含两个相同并联动力系统的冗余系统架构。为了降低制造成本,零件被包装在一个镀,环氧模压树脂BGA具有优良的导热性,品牌为SM-ChiP,兼容标准的表面安装、取放和回流组装工艺(图3.).dc - dc是EAR99,指定范围为-40到125°C,并提供各种过压、短路电流、欠压和热保护功能。目标总剂量是50krad (Si), SEE和其他可靠性数据将于今年晚些时候公布。数据表可用,定制的输入/输出选项也可以订购。

4张Vicor的Radtoptant DC-DC电源模块的照片 图3.Vicor将提供这些新的BCM, PRM和VTM耐辐射dc - dc。来源:Vicor权力

为了突出新型抗辐射dc - dc所提供的优越密度,图4和5将它们的相对尺寸与现有的空间级切换POL和隔离的DC-DC进行比较。每个转换器的功率密度在w / in中3.,它在a / in中的%和电流密度的效率2,分别以蓝色,橙色和红色注释。通常为不同的负载条件指定了一系列效率,下面显示每个数据表的最大值。

各种开关pol及其功率规格图 图4.此图比较了符合空间限制的交换pol和VTM2919 dc - dc。

各种孤立的DC-DCS及其功率规格的图 图5.该图将空间合格的隔离DC-DC与BCM和PRM DC-DCS进行比较。

新型抗辐射COTS SAC dc - dc是NewSpace应用的创新技术。与现有的合格转换器相比,它们以更小的体积和更轻的形状因数提供了输出功率、密度和效率的重大提高。调节电压明显更干净,体积解耦更少。零件将有遗产从明年和评估委员会可帮助您降低风险,未来的任务需要。

平安险是减少I的一个重大进步2R分布损耗阻碍了现有的中间功率架构。低电流因数总线允许更自由地将BCM和PRM放置在远离典型拥塞负载区域的地方。

模块化,100V PDN解决方案现在存在提供换档益处,以提供最新的超深亚微米的空间级半导体。VTMS提供高性能的比率DC-DCS,并且当与PRM组合时,使得能够采用高压沉积总线的效率优势的完整闭环FPA(图6.).

模块化配电解的插图 图6.一个模块化的100V电源分配解决方案现在存在的航天器航空电子设备。来源:Vicor权力

如何使用FPA和SAC dc - dc,在哪里使用?有哪些应用?

到下个月,第一个告诉我同步开关调节器和谐振开关调节器区别的人将赢得一件火箭科学家世界巡回赛的t恤。恭喜来自加拿大的克里斯,第一个回答了我的谜语以前的帖子

本文最初发布经济日报

Rajan Bedi博士是CEO和创始人sputnik该公司为通信、地万博投注网址球观测、导航、互联网和M2M/物联网卫星设计和建造一系列先进的L - ku波段超高通量星载处理器和转发器。Spacechips的设计咨询服务开发定制的卫星和航天器子系统,并为客户提供如何使用和选择正确的组件,以及如何设计、测试、组装和制造空间电子产品的建议。该公司在其“太空动力微电子学”课程中教授并比较新的dc - dc。

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