標準驅(qū)動的產(chǎn)品創(chuàng)新在系統(tǒng)集成商和技術(shù)開發(fā)人員之間建立了共生關(guān)系。隨著新的組件級技術(shù)的引入，它們可實現(xiàn)更快、更低成本和改進的 SpaceVPX （VITA 78.0） 平臺實施。利用這些新技術(shù)的SpaceVPX系統(tǒng)將提高采用率和部署率，為組件供應(yīng)商創(chuàng)造更高的開發(fā)投資回報，同時加快集成SpaceVPX系統(tǒng)的部署和使用。

為了追求卓越的技術(shù)，微電子開發(fā)人員必須不斷創(chuàng)新引人注目的解決方案，以實現(xiàn)其目標應(yīng)用的發(fā)展。識別和定義最佳的專用解決方案需要來自多個來源和技能組合的輸入。

雖然創(chuàng)造真正的新技術(shù)令人振奮，如果被廣泛采用，將獲得成比例的巨大收益，但它也伴隨著許多高風(fēng)險因素。其中一個風(fēng)險是由于新穎解決方案的獨特性而導(dǎo)致的市場接受度和采用率。當技術(shù)開發(fā)人員沒有一個主要應(yīng)用程序可以關(guān)注時，例如iPhone，則需要另一種方法，例如定位標準?？紤]一下MIL-STD-1553的普遍性，自1970年代以來，它幾乎被部署在每架軍用飛機和衛(wèi)星上。幾十年來投資MIL-STD-1553解決方案將帶來許多倍的回報，僅僅是通過該技術(shù)的使用和采用率。

基于MIL-STD-1553，SpaceWire（ECSS-E-ST-50-12C），RS-485（EIA / TIA-485）和CAN總線（ISO 11898-x）等標準的可靠且功能強大的接口組件已服務(wù)于世代軍事和空間系統(tǒng)。盡管這些接口組件提供了支持多種系統(tǒng)和應(yīng)用的強大解決方案生態(tài)系統(tǒng)，但它們本身并不能驅(qū)動系統(tǒng)級接口要求。相反，系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)定義確定需要哪些組件。廣泛采用的系統(tǒng)定義 - 最好是通過行業(yè)標準化機構(gòu)制定和批準的定義 - 可以清楚地突出創(chuàng)新組件級解決方案的機會，從而有效實施開放系統(tǒng)標準。

SpaceVPX （VITA 78.0） 是一款出色的開放式系統(tǒng)級標準，具有集成靈活性、高性能信號和傳感器處理潛力以及出色的故障恢復(fù)能力。單元級外形包括 3U 和 6U，具有標準和擴展長度選項以及多達 32 個邏輯模塊插槽。標準組在定義平臺時考慮了很多因素，沒有單點故障，以便通過系統(tǒng)注入冗余。然而，實現(xiàn)SpaceVPX的所有承諾在很大程度上取決于能夠滿足苛刻平臺要求的組件生態(tài)系統(tǒng)，包括電源，實用程序模塊（SpaceUM），機箱控制器，串行RapidIO和SpaceWire交換卡以及最終有效載荷卡的獨特要求。

高級空間VPX概述

SpaceVPX系統(tǒng)的典型特征是冗余的插槽卡或模塊組。如圖 1 所示，模塊分組分為主模塊（A 側(cè)）或次級（B 側(cè)）。在模塊分組中，有三個模塊類：電源模塊、邏輯模塊和實用程序模塊/SpaceUM。雖然電源和實用程序模塊在SpaceVPX系統(tǒng)中扮演著非常不同的角色，但邏輯模塊跨越了一系列用途，可以細化為子組。

有效負載模塊代表執(zhí)行系統(tǒng)應(yīng)用程序功能的插槽卡，并且會根據(jù)程序要求而有很大差異?？刂破髂K執(zhí)行機箱管理功能，并在公用設(shè)施平面和控制平面上在整個系統(tǒng)中進行通信。最后，數(shù)據(jù)交換模塊提供所有有效載荷模塊之間高帶寬數(shù)據(jù)平面通信的交叉開關(guān)。

［圖1 |圖顯示了SpaceVPX系統(tǒng)高級模塊概述。

請記住，通過冗余實現(xiàn)容錯是 SpaceVPX 規(guī)范的主要內(nèi)容，交叉綁定控制、實用程序和數(shù)據(jù)平面通信鏈路至關(guān)重要。

SpaceVPX模塊中的接口和職責

進一步深入研究每個SpaceVPX模塊中的接口和職責可能會有所幫助。站在模塊設(shè)計人員的立場上，經(jīng)常會指出現(xiàn)成的組件解決方案不足以有效滿足系統(tǒng)要求的問題。這些能力差距為定義和開發(fā)創(chuàng)新的組件解決方案提供了巨大的機會，這些解決方案將能夠更有效地實施SpaceVPX要求。讓我們看一下電源和SpaceUM模塊。

SpaceVPX系統(tǒng)電源單元（PSU）從衛(wèi)星電源總線或其他特定架構(gòu)定義的電壓域接收外部電源。每個電源負責產(chǎn)生多達七個電壓軌：+12 V/VS1、+12 V/AUX、+3.3 V/VS2、+3.3 V/AUX、+5 V/VS3、-12 V/AUX 和 VBAT。

雖然電源中的主要模塊不多，但細節(jié)決定成敗，特別是考慮到能夠高效率提供》100 W的抗輻射（抗輻射）、空間合格、高功率密度、隔離式轉(zhuǎn)換器的可用性有限時。如果500 W電源的平均效率為85%，則模塊將需要散熱75 W。這絕非易事。特別是在真空空間中運行的 3U 外形模塊中。

先進的封裝能力和氮化鎵 （GaN） 等更好技術(shù)的可用性不斷提高意味著零件的改進;此外，當需要更高的電源軌功率時，GaN轉(zhuǎn)換器也可以并聯(lián)放置。

電源中另一個尚未開發(fā)的潛在創(chuàng)新領(lǐng)域是通過集成電源管理總線（PMBus）實現(xiàn)的“智能”功能集成。PMBus提供了許多有用的、面向轉(zhuǎn)換器的功能，能夠動態(tài)調(diào)整穩(wěn)壓器參數(shù)，如輸出電壓、電流限制、開關(guān)頻率和斜坡速率等。此外，PMBus還提供一套豐富的故障檢測和響應(yīng)控制以及眾多狀態(tài)和遙測功能。

通過 I 進行通信2C 物理層 – 憑借公用平面上使用的智能平臺管理總線 （IPMB） ，它已經(jīng)是 SpaceVPX 中的通用物理層 – PMBus 為電源設(shè)計人員提供了一個小型、低功耗的主控制器，以配置、控制和收集來自支持 PMBus 的轉(zhuǎn)換器的內(nèi)務(wù)管理信息，同時將所有相關(guān)信息報告回公用平面上的 SpaceVPX 機箱控制器。雖然主機控制器解決方案可用，但目前沒有提供具有PMBus功能的符合空間標準的DC/DC轉(zhuǎn)換器，這代表了創(chuàng)新的絕佳機會。

拆卸 SpaceVPX SpaceUM

SpaceUM可能是SpaceVPX系統(tǒng)中最具挑戰(zhàn)性的模塊，因為它承擔著巨大的責任，必須在小型化，專用，輻射硬化組件的有限可用性的情況下進行處理。SpaceUM面臨的一些主要任務(wù)包括

將所有主/冗余電源軌復(fù)用到每個邏輯模塊（每個 SpaceUM 最多八個模塊）

在選定的一側(cè) A/B 機箱控制器之間路由 IPMB 通信，并以“星形拓撲”將其扇出到每個邏輯模塊

為每個邏輯模塊重復(fù)和扇出系統(tǒng)復(fù)位、基準和輔助時鐘

圖2是SpaceUM模塊的簡化高級圖，描述了兩個獨立的系統(tǒng)控制器和一個代表冗余電源的塊，分別向SpaceUM卡饋送公用平面信號和所有六個重復(fù)電源軌。SpaceUM將其所有輸入復(fù)制到每個SpaceVPX邏輯/有效載荷插槽 - 每個SpaceUM卡最多八個插槽。為簡單起見，該圖僅顯示流向單個邏輯/有效負載插槽卡的信號和電源。SpaceUM卡使用一組邊帶選擇信號來選擇它將通過哪個系統(tǒng)控制器和電源傳遞到背板。

［圖2 |高級框圖顯示了SpaceUM模塊的布局。

從組件供應(yīng)商的角度來看，有許多有趣的功能可以提供。從機箱控制器扇出塊開始，三個公用設(shè)施平面信號集看起來相當簡單。仔細檢查，扇出所需的信號量可能會成為I/O密集型。例如，IMPB包括四個I2每個插槽的 C 信號。該扇出器件具有多達 8 個邏輯/有效負載插槽和系統(tǒng)控制器，需要 36 個支持 I2C 的 I/O，這很快超過了所有符合空間標準的微控制器的可用資源。此外，扇出設(shè)備需要能夠管理 I2系統(tǒng)控制器和目標邏輯/有效負載插槽卡之間的 C 協(xié)議流控制。雖然商業(yè)/地面微電子解決方案包括2C 扇出器件，抗輻射解決方案不能這樣說。

在公用設(shè)施平面信號被緩沖并扇出后，必須通過背板接口將每側(cè) A/B 信號分組多路復(fù)用到插件模塊。IPMI 接口特別棘手，因為 I2必須保留具有雙向能力的C信號特性。不幸的是，航天工業(yè)目前沒有得到真正的支持。2C 路由器或多路復(fù)用器。然而，這個問題可以通過傳輸門總線開關(guān)來解決。理想的解決方案是傳輸門（T門）多路復(fù)用器，目前也沒有空間限定的格式，但有空間保證的單刀/單擲總線開關(guān)可以配置為多路復(fù)用功能。

通過在總線開關(guān)設(shè)備上選擇合適的通道，可以在多路復(fù)用配置中使用單刀單擲總線開關(guān)。由于傳輸門的低串聯(lián)阻抗（典型值為5歐姆），它們提供非?？斓膫鞑パ舆t，具有高度的輸入到輸出信號特性匹配和自然的雙向信號傳輸。

下一個公用設(shè)施平面挑戰(zhàn)是將四個差分時鐘域路由到插件模塊。A 側(cè)和 B 側(cè)系統(tǒng)控制器提供一個差分系統(tǒng)時鐘、輔助時鐘和兩個參考時鐘。SpaceUM模塊必須接收這些時鐘，并使用時鐘管理設(shè)備將它們扇出到每個插件模塊。

SpaceUM模塊的最后一個主要職責是將過多的電源軌切換到插入式模塊，或“電源復(fù)用”。將單個電源軌切換到給定負載相當簡單明了。所需要的只是一個分流功率MOSFET［金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管］和柵極驅(qū)動器。然而，SpaceVPX要求更多。

電源多路復(fù)用需要在每個冗余電源軌上進行反向電流阻斷，這通常通過第二個串聯(lián)分流理想二極管FET（增加可靠性或功率）來解決，以阻止電流從所選電源流經(jīng)負載開關(guān)并返回非所選電源。此外，多路復(fù)用操作需要每個導(dǎo)軌上的選擇開關(guān)，以將命令電源連接到所需的有效負載插槽?？偠灾娫炊嗦窂?fù)用器需要多達四個電源開關(guān)，每個開關(guān)需要一個柵極驅(qū)動器/控制器。

影響SpaceUM模塊電源開關(guān)部分的其他考慮因素包括故障檢測，隔離和恢復(fù)（FDIR）;浪涌電流限制;電流監(jiān)測;以及（如果需要）每個開關(guān)電源軌的內(nèi)務(wù)管理信息。根據(jù)分配給每個插件模塊的電流等級，開關(guān)動作導(dǎo)致的導(dǎo)電電壓降可能會產(chǎn)生非常困難的設(shè)計約束，以滿足每個負載的穩(wěn)壓容差。這在3.3 V和5 V域尤其具有挑戰(zhàn)性，因為3.3 V和5 V域的電壓容限更嚴格，電流要求通常高于12 V電源軌上的電流要求。

航天工業(yè)提供相當廣泛的3.3 V和5 V電源開關(guān)解決方案，以及略窄范圍的12 V開關(guān)組件。目前沒有可用的-12 V開關(guān)解決方案，SpaceUM設(shè)計人員只能開發(fā)自己的分立式-12 V電源多路復(fù)用電路。

專注于空間保證型電源開關(guān)解決方案，設(shè)計人員有幾個差異化因素需要權(quán)衡。在3.3 V和5 V電源軌上，一些解決方案將開關(guān)FET集成到控制器本身內(nèi)，有利于更小的實施尺寸，但電流通常限制為《10 A。如果插件模塊指定用于更高的電流，則需要將這些設(shè)備并聯(lián)起來。另一個考慮因素是故障保護和內(nèi)務(wù)管理（遙測）要求，這些要求在大多數(shù)組件上都有些有限或不存在。

或者，使用 UT05PFD103（5 V 電源軌）和 UT36PFD103（12 V 電源軌）等器件，智能電源開關(guān)控制器 （SPSC） 可為設(shè)計人員提供與當前類別無關(guān)、廣泛的 FDIR 功能以及集成的電壓和電流監(jiān)控遙測。使用SPSC上的PMBus接口，SpaceUM機箱控制器扇出管理組件可以利用單個I2C端口直接配置，命令，控制和收集來自SPSC控制的每個電源軌的廣泛狀態(tài)和遙測數(shù)據(jù)。

盡管如此，完美的SpaceVPX電源切換解決方案目前還不存在。保留SPSC的多種先進功能，嵌入式電源開關(guān)支持》20安培的電流輸送，將是SpaceUM電源開關(guān)功能小型化的一大舉措。此外，在單個控制器中添加電源多路復(fù)用器功能可以將每個開關(guān)軌的占用空間開銷減少一半。對于低電壓、高電流電源軌，必須將導(dǎo)電壓降降至最低，這就需要為這些電源軌使用n溝道或GaN電源開關(guān)。最后，-12 V電源開關(guān)解決方案對于滿足SpaceVPX電源復(fù)用的全部要求至關(guān)重要。

穿著設(shè)計師的鞋子走一英里

SpaceVPX 承諾提供一個強大靈活、可擴展和容錯的平臺，在一個開放的、插入式模塊的、面向的系統(tǒng)中實現(xiàn)最高程度的計算和傳感器處理。實現(xiàn) SpaceVPX 提供的潛在優(yōu)勢需要一個由先進的空間保證組件組成的廣泛生態(tài)系統(tǒng)。航天工業(yè)供應(yīng)商基地已經(jīng)創(chuàng)新了許多專用解決方案，以實現(xiàn)成功的SpaceVPX實施，但需要更多的技術(shù)創(chuàng)新才能看到SpaceVPX充分發(fā)揮其潛力。

通過站在SpaceVPX設(shè)計師的立場上，組件供應(yīng)商可以快速了解局限性所在。組件供應(yīng)商對SpaceVPX支持技術(shù)的投資程度將反過來促進更多的SpaceVPX部署，從而為組件供應(yīng)商和系統(tǒng)集成商帶來雙贏的主張，最終為程序提供一個靈活，可靠和可擴展的平臺，以更快，更經(jīng)濟地實施先進的傳感器，人工智能（AI）和計算密集型應(yīng)用。

審核編輯：郭婷