為了減少衛(wèi)星與地面之間成本高昂的通信流量，衛(wèi)星平臺正在搭載更強的處理能力。為滿足額外的在軌計算需求，信號與數(shù)據(jù)處理硬件、系統(tǒng)功率及負載點（PoL）要求必須相應(yīng)提升。由于硬開關(guān)轉(zhuǎn)換器在尺寸、效率及電磁干擾方面存在缺陷，促使系統(tǒng)工程師與電源設(shè)計師轉(zhuǎn)而考慮更先進的電源拓撲結(jié)構(gòu)。

隨著現(xiàn)代 ASIC、FPGA、CPU 和 GPU 的物理尺寸不斷增大，以及對散熱解決方案的需求提升，這些大芯片周邊的電路板布局面積變得尤為珍貴。這些芯片需要電壓持續(xù)降低而電流不斷增大，因此需要優(yōu)化供電網(wǎng)絡(luò)。

在這種情況下，將 PDN 的任務(wù)劃分為兩個部分是一種有效的策略：一部分為可靈活放置的穩(wěn)壓模塊，另一部分為盡可能靠近負載的供電模塊。這正是Vicor 分比式電源架構(gòu)（FPA）的核心理念。

軟開關(guān)拓撲能夠以較低的諧波噪聲實現(xiàn)較高的基波轉(zhuǎn)換頻率，相較于硬開關(guān)轉(zhuǎn)換器具有顯著優(yōu)勢。

相比硬開關(guān)多相拓撲結(jié)構(gòu)：

零電壓開關(guān)（ZVS）與零電流開關(guān)（ZCS）拓撲可在最高的實際頻率下運行，節(jié)省空間并降低功率損耗。

ZVS/ZCS 拓撲不會產(chǎn)生高頻諧波噪聲。

Vicor 轉(zhuǎn)換器的工作頻率超過 1MHz，避免了存在于 100 – 500kHz 的有害噪聲。

低諧波特性與高基波轉(zhuǎn)換頻率，使得噪聲濾波器的實現(xiàn)方案更為緊湊。

Vicor 電源模塊的工作頻率高于 1MHz，可幫助工程師創(chuàng)建低共模（CM）和差模（DM）噪聲設(shè)計，在合理布局組件和優(yōu)化設(shè)備互連的前提下效果更佳。

與往常一樣，輸入與輸出濾波器仍是必要配置，且需精確設(shè)計與合理放置。但 Vicor 轉(zhuǎn)換器的固有特性簡化了這項任務(wù)。

分比式電源：高效實現(xiàn)大電流、低電壓供電

衛(wèi)星電源系統(tǒng)設(shè)計師面臨的重大挑戰(zhàn)

1.負載電流需求從數(shù)十安培增至數(shù)百安培。

2.負載瞬態(tài)響應(yīng)需更快且容差窗口更小。

3.需進一步降低供電網(wǎng)絡(luò)的損耗與阻抗。

4.更多地采用更高電壓母線，以減小導體尺寸。

除了日益提升的電氣性能需求外，太空環(huán)境還增加了輻射總電離劑量（TID）和單粒子效應(yīng)（SEE）要求。在某些情況下，新太空領(lǐng)域追求更小巧、更快速、更經(jīng)濟的太空平臺與發(fā)射方案，促使耐輻射設(shè)計方法作為成本更低的抗輻照加固替代方案被廣泛采用。這種新方法根據(jù)特定任務(wù)確定可接受的性能與可靠性水平，然后綜合權(quán)衡尺寸、重量與功耗（SWaP）及成本效益，開發(fā)電路板與電子設(shè)備。這種設(shè)計策略適用于范艾倫（Van Allen）輻射帶內(nèi)的低地球軌道（LEO）和中地球軌道（MEO）衛(wèi)星。

要優(yōu)化大電流、高密度供電網(wǎng)絡(luò)，需要采用全新的方法，而分比式電源架構(gòu)正是理想選擇。Vicor 的新太空 FPA 將 PDN 分為三級：固定比率、非穩(wěn)壓隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器（BCM）與隔離和變壓模塊（VTM）將電壓從一個電平轉(zhuǎn)換至另一個電平；預(yù)穩(wěn)壓模塊（PRM）穩(wěn)壓器負責穩(wěn)壓，并在輸入電壓和輸出負載發(fā)生變化時將轉(zhuǎn)換器輸出電壓控制在目標值范圍內(nèi)。

在當前一代 Vicor 新太空轉(zhuǎn)換器中，第一級非穩(wěn)壓 BCM 實現(xiàn)與航天器母線的隔離，并為下游轉(zhuǎn)換器提供供電電壓，同時通過電壓變換生成與下游轉(zhuǎn)換器兼容的中間母線電壓?，F(xiàn)有 BCM 設(shè)計采用 3:1 變壓比，可將 100VDC轉(zhuǎn)換為 33VDC，目前正在研究評估其他變壓比方案，以支持其他母線電壓。

第二級 PRM 模塊則實現(xiàn)精確的輸出電壓調(diào)節(jié)，其可調(diào)輸出電壓范圍覆蓋 13.4V 至 35V。

第三級 VTM 承擔供電職能，負責將 PRM 輸出的較高電壓轉(zhuǎn)換為負載所需的電壓。目前支持 8:1 和 32:1 兩種變壓比。由于其輸入到輸出電流變換比與電壓變換比呈倒數(shù)關(guān)系，VTM 被稱為“電流倍增器”。例如，向 8:1 變壓比的 VTM 注入 6A 電流，可獲得 48A 輸出電流。

為新太空應(yīng)用設(shè)計低噪聲分比式電源架構(gòu)

BCM、PRM 和 VTM 是構(gòu)成分比式電源架構(gòu)的關(guān)鍵組件。當前一代耐輻射新太空 BCM 采用 Vicor 專利正弦振幅轉(zhuǎn)換器（SAC）拓撲，峰值效率高達 96.9%，性能表現(xiàn)令人矚目。

Vicor 的PRM 模塊采用專利的零電壓開關(guān)升降壓穩(wěn)壓器控制架構(gòu)，可實現(xiàn)高效的升壓與降壓穩(wěn)壓及軟啟動功能。當輸入電壓 VIN約等于輸出電壓 VOUT時效率最高，最新 PRM 的峰值效率高達 97%。

VTM 電流倍增器是一款高效的電壓變換模塊，采用 Vicor 專有的 ZCS/ZVS 正弦振幅轉(zhuǎn)換器技術(shù)。該轉(zhuǎn)換器可轉(zhuǎn)換出具有高頻譜純度和共模對稱性的近純正弦波波形。這些特性意味著它不會產(chǎn)生硬開關(guān) PWM 轉(zhuǎn)換器常見的諧波含量，并將噪聲降至最低。其控制架構(gòu)將工作頻率鎖定為動力系統(tǒng)的諧振頻率，實現(xiàn)了高達 97% 的效率，并通過有效消除無功分量來最小化輸出阻抗。這種極低的非感性輸出阻抗使其能對負載電流的階躍變化做出近乎瞬時的響應(yīng)。

VTM 可在 1 微秒內(nèi)響應(yīng)任意幅度的負載變化。VTM 的高帶寬可避免對大容量負載點電容的需求。即使沒有任何外部輸出電容，VTM 的輸出在應(yīng)對突發(fā)功率激增時也只會出現(xiàn)有限的電壓擾動。少量的外部旁路電容（采用低等效串聯(lián)電阻/等效串聯(lián)電感（ESR/ESL）陶瓷電容）即可最大限度地抑制輸出瞬態(tài)電壓過沖。

由于 VTM 不存在容性或感性儲能，其行為幾乎是透明的，可將大容量電容布置在輸入電壓側(cè)——此舉能充分利用電壓平方項與線性電壓變壓比。

Ej=1/2 CV2

Ej = 儲能（焦耳），C = 電容（F），V = 電壓（V）

以 Vicor VTM 模塊為例，在 8:1 的變壓比下，28V / 25μF 的輸入電容與 3.3V / 1600μF 的輸出電容在儲能效果上非常接近（見圖 1）。

由于 VTM 幾乎“透明”，輸入與輸出之間的電容轉(zhuǎn)換比有助于應(yīng)對脈沖負載。這種轉(zhuǎn)換機制意味著在較高電壓下使用較小的電容值，即可滿足脈沖負載需求。

Vicor 的耐輻射新太空 VTM 在 8:1 變換比（3.3V / 50A）下的峰值效率為 94.7%，在電流更大、32:1 變換比（0.8V / 150A）時峰值效率為 92.9%。

以 FPA 方式進行儲能與動態(tài)響應(yīng)

圖 1：采用 Vicor PRM 與 VTM 模塊構(gòu)建的更高效、更靈活的分比式電源架構(gòu)。

FPA 的優(yōu)勢

分比式電源架構(gòu)使電源系統(tǒng)密度和大電流需求與快速發(fā)展的 CPU、GPU 和 ASIC 技術(shù)保持同步。部分關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)勢包括：

將 CPU/GPU 附近供電網(wǎng)絡(luò)的占用空間減少 50% 或更多

使 PDN 及相關(guān)板的損耗降低一個數(shù)量級

將 PRM 布置在非關(guān)鍵板邊緣區(qū)域，釋放性能潛力

簡化 CPU I/O 布線得益于 VTM 的低噪聲特性，可降低靠近處理器 SerDes 的布局風險

電源系統(tǒng)（包括 BCM、PRM 和 VTM 的組合），在由非穩(wěn)壓 DC 電源供電并提供穩(wěn)壓低壓 DC 輸出時，在 100V 轉(zhuǎn) 3.4V / 50A 條件下的整體峰值效率為 89%，在 100V 轉(zhuǎn) 0.8V / 150A 條件下為 87.3%。效率越高，總散熱量越低，這是航天器電源系統(tǒng)設(shè)計的一個重要考慮要素，因為冷卻機制意味著額外的重量與結(jié)構(gòu)負擔。

Vicor 新太空電源解決方案的耐輻射參數(shù)總結(jié)

要創(chuàng)建能夠在低地球軌道和中地球軌道長期可靠工作的電源模塊，需要進行大量的工作。

為滿足總電離劑量要求，必須精心挑選組件，進行輻射性能篩選，并將參數(shù)變化納入最壞情況分析以確保性能可靠。

為滿足增強型低劑量率靈敏度（ELDRS）要求，僅使用已知具備 ELDRS 性能評級的元器件，或在低劑量率條件下對部件進行測試。

為滿足單粒子性能要求，我們已開展大量加速帶電粒子測試。所有使用的部件均經(jīng)過測試與分析，可承受高達 35 MeV·cm2/mg 的線性能量傳遞（LET）。為降低單粒子功能中斷（SEFI）風險，采用了具備監(jiān)測與電源循環(huán)功能的雙冗余內(nèi)部動力系統(tǒng)。

Vicor 新太空耐輻射電源模塊的單粒子效應(yīng)生存等級為 35MeV-cm2/mg，TID 耐受值為 50krad。

對所有電路進行了最壞情況電路分析（WCCA），并基于部件抽樣測試數(shù)據(jù)設(shè)定了統(tǒng)計置信限（置信度為 90%，概率為 99%）。在適當情況下，還采用了極值分析（EVA）、平方和根（RSS）與蒙特卡洛（Monte Carlo）分析等方法，對電源模塊設(shè)計進行評估，以確保所有部件均能按預(yù)期運行。