应对当今 LEOMEO 卫星的功率挑战

当前的卫星通信基础设施无法满足全球对可靠、高速宽带接入的迫切需求。这一差距的存在推动了低地球轨道 (LEO) 和中地球轨道 (MEO) 通信卫星星座的快速创建、发展和实施。

这些卫星简化了全球互联网接入，实现了实时地球观测，极大地改变了连接和数据传输。然而，在实现深刻变革的过程中，它们面临着一个巨大的障碍：电源管理。

低轨道卫星的挑战

与需要抗辐射组件并由庞大的太阳能电池阵列供电的传统地球静止卫星不同，LEO/MEO 卫星在范艾伦带内的轨道内运行，其特点是日照有规律地波动。这需要能够实现高功率转换效率的耐辐射电力电子设备。

此外，卫星设计趋向于小型化，这也给电力分配带来了新的困难。为了充分利用可用空间，工程师需要设计出既紧凑又坚固的系统;也就是说，能够控制电力流动，同时将重量和体积保持在最低限度。

由于缺乏地球磁场，卫星在偏转高能粒子方面也面临挑战。此外，由于缺乏地球空气屏障，太空系统容易受到高水平的波和粒子辐射的影响，这有可能导致组件故障并可能危及系统的完整性。另一个挑战来自散热，因为对流冷却过程在太空中并不有效，因此限制了通过传导将热量传递到辐射表面。

粒子辐射会造成物理损害，即对半导体晶体的晶格造成损害，这种损害可能是永久性的，也可能是累积性的。可以观察到暂时的扰动，其中电子被传输到耗尽区，导致非导电区域导电。当正离子取代晶体基质中的掺杂原子时，可能会发生故障，导致半导体在不期望的地方出现导电行为，最终对设备造成不可逆转的损害。

Vicor 的电源解决方案

Vicor 耐辐射电源模块系列旨在提供低噪音、高功率和电流密度、可靠性和可扩展性，以紧凑的外形为 LEO 和 MEO 卫星供电。该解决方案不仅依赖于可扩展电源模块，还依赖于专有电源架构和拓扑来实现最佳性能。

“我们利用专有的分比电源架构 (FPA) 为 LEO 和 MEO 卫星设计了耐辐射电力输送网络，对于这些卫星来说，节省空间显然至关重要，”Renola 说道。

Vicor 供电网络 (PDN) 采用内部冗余电源模块，可实现业内最佳功率和电流密度。此外，其架构和实现非常灵活且可扩展(图 1)。

Vicor 的专利耐辐射电源模块解决方案已被波音公司 O3b 计划(O3b 代表“其他 30 亿人”)采用，该计划采用针对低地球轨道 (LEO) 卫星的模块化方法，旨在将可靠的高速宽带连接扩展到世界各地，特别是那些无法或只能有限使用高速互联网的人们。

在建造 O3b 等低地球轨道卫星时遇到的一个重大障碍是，如何提供足够的电力来维持高耗能的现代通信电路，同时尽量减少配电网络的尺寸和质量。电源解决方案还必须具有灵活性和可扩展性，以有效处理后续迭代中任何意外的设计变更或修订。

“最新的亚微米专用集成电路 (ASIC) 或现场可编程门阵列 (FPGA) 需要在低电压下提供极高的电流。三模块解决方案(BCM®、PRM™ 和 VTM™)的 Vicor 分比式电源架构 (FPA™) 非常紧凑且灵活。使用这些模块的一个关键优势是它们可以分比 PDN，并且在设计中不需要彼此靠近。BCM 可以位于电源附近，而噪声极低的 VTM 可以尽可能靠近 ASIC 或 FPGA 放置，以减少 I 2 R 损耗，”Renola 说道。

Vicor 电源到负载点 (PoL) 解决方案包括以下电源模块：

· BCM3423，一款标称电压为 100V、功率为 300 瓦的 K = 1/3 总线转换器，采用 34mm x 23mm 封装

· PRM2919，一款 33V 标称 200 瓦降压-升压稳压器，采用 29mm x 19mm 封装

· 两个 VTM2919 电流倍增器，电压变换为 K = 1/32，输出为 150A 时的 0.8V，以及 K = 1/8，输出为 50 安培时的 3.3V。

使用 28V 电源输送的替代卫星 PDN 可以使用 Vicor 28V IN(22 – 40V)FPA 解决方案。

该抗辐射和容错模块化解决方案能够从 100V 标称电源为高达 300 瓦的低压 ASIC 和 FPGA 供电，只需极少的外部元件，并且运行噪音低。所有模块均采用 Vicor 高密度 ChiP™ 封装，工作温度为 -30 至 125°C。

Renola 表示： “Vicor 为其数据中心和 AI 处理器客户采用了相同的架构，通过更靠近处理器，可将高电流传输到 PoL，并显著降低主板 I2R功率损耗。”

在太空应用中，物理冗余也很重要，以确保如果一个系统发生故障，另一个系统可以接管。每个 Vicor 模块内的冗余架构可确保不受单事件干扰的影响。这是通过将两个相同且并行的动力系统与容错控制 IC 一起安装在单个高密度 SM-ChiP 封装中来实现的(图 2)。

如果单一事件导致一个动力系统发生故障，其保护电路将启动断电复位。在复位期间，冗余动力系统将承担承载全部负载的责任，复位后，两个动力系统将恢复并行运行。

“我们在转换器内设计并构建了物理冗余，以便我们有容错解决方案，”Renola 说道。

低噪声、零电压和零电流开关(ZVS 和 ZCS)

高功率密度和低噪声是先进通信卫星的基本要求。为了降低噪声，实施软开关等开关模式(而不是硬开关电源转换器)可以有效降低系统对振铃等寄生效应的敏感性。这些效应可能会增加开关元件的电压应力。零电压开关 (ZVS) 技术是软开关的一个典型例子，因为它可以提高各种电源拓扑的转换效率。

Vicor 的软开关、高频、零电流开关 (ZCS)/ZVS 功率级的使用有效地减轻了电源系统内的噪声基底，从而最大限度地减少了滤波需求。这反过来又增强了信号完整性和整体系统性能，同时确保了高水平的可靠性。Vicor 为 PRM 采用 ZVS 降压-升压架构，而 BCM 和 VTM 采用 ZVS 和 ZCS 正弦振幅转换器。