如何更快地實(shí)施符合標(biāo)準(zhǔn)的高效解決方案

SpaceVPX 承擔(dān)了很多工作來(lái)提供很多東西：有這么多可用的配置文件和配置，在生產(chǎn)高效、符合標(biāo)準(zhǔn)的電源解決方案時(shí)，魔鬼就在細(xì)節(jié)中。通過(guò) SpaceUM ［實(shí)用模塊］ 為有效載荷插槽提供和多路復(fù)用歧管電源軌尤其具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)榭捎玫呐渲梦募x擇多種多樣，并且在較小的 3U 外形中更加復(fù)雜。好消息是，新的高效太空級(jí)電源轉(zhuǎn)換和控制技術(shù)使符合 SpaceVPX/UM 標(biāo)準(zhǔn)的電源和配電更易于管理，即使在小型 3U 外形中也是如此。

航天器代代相傳，圍繞專(zhuān)有系統(tǒng)和設(shè)計(jì)方法構(gòu)建的架構(gòu)。在滿足單個(gè)程序的需求時(shí)，專(zhuān)有實(shí)現(xiàn)的自定義性質(zhì)往往效率低下、成本高昂且容易產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)。此外，自定義實(shí)現(xiàn)固有的狹隘焦點(diǎn)阻礙了未來(lái)系統(tǒng)的模塊化、互操作性和可升級(jí)性。

認(rèn)識(shí)到與永久定制系統(tǒng)和架構(gòu)相關(guān)的局限性，許多跨行業(yè)聯(lián)盟和標(biāo)準(zhǔn)組織聚集在一起開(kāi)發(fā)和推廣開(kāi)放系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，如OpenVPX（VITA 65.x），SpaceVPX（VITA 78.0）和簡(jiǎn)化版本，如SpaceVPX-Lite（VITA 78.1）。為了進(jìn)一步完善和鼓勵(lì)標(biāo)準(zhǔn)采用，包括開(kāi)放集團(tuán)的傳感器開(kāi)放系統(tǒng)架構(gòu)（SOSA）和未來(lái)機(jī)載能力環(huán)境（FACE）在內(nèi)的小組以及空間電力聯(lián)盟（SPC）現(xiàn)在正在合作建立可互操作的參考設(shè)計(jì)架構(gòu)，并促進(jìn)模塊化和開(kāi)放系統(tǒng)框架的使用。

通過(guò)增加基于標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)的采用和部署，通過(guò)重用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的技術(shù)，計(jì)劃將受益于縮短的時(shí)間表、降低成本和降低風(fēng)險(xiǎn)。此外，這些方法是向上擴(kuò)展和互操作性的途徑，它們也為商業(yè)解決方案提供商創(chuàng)新和提供相關(guān)和有競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)建立了動(dòng)力。讓我們以 SpaceVPX （VITA 78.0） 為例，作為太空界特別感興趣的開(kāi)放式模塊化系統(tǒng)的上下文示例：開(kāi)發(fā)人員面臨的電源、配電和系統(tǒng)管理挑戰(zhàn)是什么？此外，新的專(zhuān)用技術(shù)如何以更低的風(fēng)險(xiǎn)加快系統(tǒng)設(shè)計(jì)，同時(shí)增加更大的功能和能力？

SpaceVPX系統(tǒng)：鳥(niǎo)瞰圖

從OpenVPX（VITA 65.0）標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)始，SpaceVPX方法利用冗余和單點(diǎn)連接交叉捆綁，為空間應(yīng)用提供高度容錯(cuò)的高性能計(jì)算平臺(tái)。雖然單點(diǎn)故障抗擾度對(duì)空間任務(wù)特別有吸引力，但其實(shí)施很快就會(huì)變得復(fù)雜且需要大量組件，特別是當(dāng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)能夠最大限度地提高標(biāo)準(zhǔn)定義的多種資源和能力的可用性時(shí)。從角度來(lái)看，圖 1 是與空間電源聯(lián)盟的衛(wèi)星電源架構(gòu)接口的通用 SpaceVPX 架構(gòu)的高級(jí)圖（這超出了本文的范圍 – 在https://spacepower.org/ 中了解更多信息）。

［圖1 |圖為SpaceVPX系統(tǒng)高級(jí)框圖。

SpaceVPX平臺(tái)主要由六個(gè)不同的元素組成。這些元件是機(jī)箱、背板、兩個(gè)獨(dú)立電源、兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)控制器（機(jī)箱管理器）、SpaceUM ［實(shí)用程序模塊］ 選擇和分配集線器以及兩個(gè) 16 有效載荷卡。SpaceVPX機(jī)箱可以在6U或更小的3U外形中實(shí)現(xiàn)，并具有足夠的插槽以冗余方式容納插件元素。

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(gè)電源負(fù)責(zé)產(chǎn)生多達(dá)七個(gè)電壓軌：+12V/VS1、+12V/AUX、+3.3V/VS2、+3.3V/AUX、+5V/VS3、-12V/AUX和VBAT。SpaceUM接收所有電壓軌，在主電源或冗余電源之間進(jìn)行選擇，并根據(jù)系統(tǒng)配置和控制器要求將電源獨(dú)立分配到每個(gè)有效載荷插槽。

雖然這看起來(lái)很簡(jiǎn)單，但能夠執(zhí)行這種“電源交叉點(diǎn)切換”的技術(shù)對(duì)于空間應(yīng)用來(lái)說(shuō)是有限的。與SpaceVPX電源分配架構(gòu)類(lèi)似，系統(tǒng)控制器通過(guò)SpaceUM實(shí)體在SpaceVPX機(jī)箱上獲取所有管理和通信信號(hào)。

雖然配電責(zé)任本身就是一個(gè)挑戰(zhàn)，但系統(tǒng)管理信號(hào)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)扇出和緩沖——包括基于I2C的智能平臺(tái)管理接口（IPMI）、時(shí)鐘、復(fù)位和選擇控制——留給SpaceUM模塊來(lái)管理和分配。這種方法看起來(lái)合乎邏輯，甚至整潔，但對(duì)SpaceUM提出了很高的要求，并且需要尺寸，重量和功率（SWaP）優(yōu)化的組件才能成功。

隨著有效載荷插槽卡配置的擴(kuò)展，分配電源和控制信號(hào)帶來(lái)了與實(shí)現(xiàn)兼容背板相關(guān)的復(fù)雜性和挑戰(zhàn)。VITA 78.0 標(biāo)準(zhǔn)中提供的大量插槽配置文件使這種負(fù)擔(dān)進(jìn)一步復(fù)雜化。排列的數(shù)量使得供應(yīng)商難以高效、自信地投資于開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)成解決方案以支持 SpaceVPX 應(yīng)用。這就是像 SOSA 這樣的組織通過(guò)推廣一組狹窄的參考架構(gòu)來(lái)增加額外價(jià)值的地方，從而減少和簡(jiǎn)化實(shí)施符合 VPX 的系統(tǒng)所需的推薦排列和相關(guān)要求的數(shù)量。

太空VPX電源

作為SpaceVPX平臺(tái)的命脈，電源的任務(wù)是轉(zhuǎn)換來(lái)自外部電壓源的輸入功率，并有效地提供可能具有數(shù)百瓦功率的多個(gè)電壓軌。雖然軍事應(yīng)用可以獲得廣泛的高效、高功率技術(shù)，但目前空間環(huán)境較為有限。圖 2 描述了功能齊全、非 SOSA 對(duì)齊的 SpaceVPX 電源的高級(jí)框圖。

［圖2 |圖為500 W SpaceVPX電源高級(jí)框圖。

圖 2 的主要功能模塊包括 EMI ［電磁干擾］ 濾波和瞬態(tài)保護(hù)形式的輸入電源調(diào)理，可為 SpaceVPX PSU 本地的電源轉(zhuǎn)換和管理電子設(shè)備提供干凈的輸入。輸入電源饋送多達(dá)六個(gè)隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器以產(chǎn)生輸出電壓軌和一個(gè)本地 3.3V 電壓域，為內(nèi)部電子元件供電——特別是管理輸出穩(wěn)壓器的微控制器，以及向 SpaceVPX 系統(tǒng)控制器報(bào)告狀態(tài)和遙測(cè)數(shù)據(jù)。

考慮將所有這些功能打包到 3U 外形中。人們普遍認(rèn)為，160 mm x 100 mm 3U 外形可提供大約 11，500 mm2 的可用面積。為輸入電源調(diào)節(jié)、本地 3.3 V 調(diào)節(jié)和微控制器提供 1，500 mm2 的余量，留出 10，000 mm2 的可用空間來(lái)實(shí)現(xiàn) SpaceVPX 系統(tǒng)的六個(gè)隔離電源。因此，要在 10，000 mm2 的區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn) 500 W 的功率，平均功率密度為 50 mW/mm2。

對(duì)空間保證隔離式轉(zhuǎn)換器的調(diào)查顯示，其同類(lèi)最佳功率密度約為40 mW/mm2，不足以實(shí)際為圖2所述的所有六個(gè)電源軌供電。此外，基于空間的隔離轉(zhuǎn)換器的平均效率為85%，這意味著500 W電源的熱功耗為75 W，這是大量的熱量耗散。因此，要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)功能齊全的SpaceVPX電源，需要進(jìn)行一些權(quán)衡。傳統(tǒng)上，這些權(quán)衡可能需要將功率要求降低到更易于管理的水平（如300 W或更低），減少電源軌的數(shù)量，或者使用多級(jí)轉(zhuǎn)換以及隔離和非隔離電壓轉(zhuǎn)換/調(diào)節(jié)的組合。

認(rèn)識(shí)到這些挑戰(zhàn)，SOSA和其他行業(yè)工作組正在尋求完善SpaceVPX要求，簡(jiǎn)化其實(shí)施并促進(jìn)更符合空間技術(shù)可用性的配置。圖 3 描述了一個(gè) 300W SOSA 對(duì)齊的 SpaceVPX 電源，它使用了這種更新的設(shè)計(jì)方法。

［圖3 |圖為SOSA對(duì)齊的300 W SpaceVPX電源高級(jí)框圖。

SOSA對(duì)齊的配置僅采用兩個(gè)電源輸出和較低的總功率，有助于實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單、SWaP且成本友好的實(shí)施，可以使用現(xiàn)有或近期的空間級(jí)組件構(gòu)建。如圖3所示，小尺寸、低功耗微控制器和隔離式氮化鎵（GaN）轉(zhuǎn)換器能夠在2，400 mm2的占位面積內(nèi)以》91%的效率提供75 W的功率。這些轉(zhuǎn)換器的高效率和更小的尺寸使 SpaceVPX 電源解決方案更高效、更易于設(shè)計(jì)和冷卻。為了實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性，每個(gè)轉(zhuǎn)換器可以與第二個(gè)器件并聯(lián)，使輸出功率翻倍。隨著具有更高效率和功率密度的新型3.3 V和12 V GaN轉(zhuǎn)換器的問(wèn)世，額外的設(shè)計(jì)可操作性將很快成為可能。

與傳統(tǒng)的星載解決方案相比，GaN轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的效率和功率密度的提高大大降低了與發(fā)熱相關(guān)的挑戰(zhàn)，并且足夠小，可以適應(yīng)3U SpaceVPX電源配置文件?？傊?，這些抗輻射的構(gòu)建模塊能夠快速生產(chǎn)出實(shí)用的SOSA對(duì)齊的SpaceVPX電源解決方案。解決并滿足電源轉(zhuǎn)換要求后，下一個(gè)要解決的功能SpaceVPX模塊是SpaceUM。

SpaceUM配電和系統(tǒng)管理扇出

讓我們回到圖1：SpaceUM接收電源軌和系統(tǒng)管理信號(hào)，然后負(fù)責(zé)選擇/分配每個(gè)電源軌到所有有效載荷插槽，以及扇出和緩沖系統(tǒng)管理信號(hào)。原則上，這是一種合乎邏輯的方法;但實(shí)際上，鑒于空間工程師可用的電源開(kāi)關(guān)電子設(shè)備和信號(hào)路由解決方案的可用性有限，這并不那么簡(jiǎn)單。圖4描述了一個(gè)概念性的SpaceUM框圖，具有12 V/VS1開(kāi)關(guān)軌和系統(tǒng)管理信號(hào)扇出。該圖引用了空間支持的組件，因此提供了通往空間載 VPX 應(yīng)用程序的途徑。

［圖4 |圖為SpaceVPX SpaceUM +12 V/VS1（20 A/240 W）電源和系統(tǒng)管理配電概念框圖。

在SpaceUM圖中有幾個(gè)值得注意的項(xiàng)目需要識(shí)別。首先，A_VS1和B_VS1 PSU 輸入以預(yù)復(fù)用配置組合在一起。與每個(gè)有效負(fù)載插槽的重復(fù)電源復(fù)用和電源切換 VS1 相比，預(yù)復(fù)用電源可提供改進(jìn)的尺寸、重量和成本優(yōu)勢(shì)。

藍(lán)色框描述了在架構(gòu)中電源復(fù)用階段相關(guān)的突出屬性。藍(lán)色框中的屬性摘要包括面積估計(jì)、額定電流、有效通道阻抗以及智能電源開(kāi)關(guān)控制器 （SPSC） 器件提供的其他重要特性和功能。（圖 5。SPSC 是一款與當(dāng)前級(jí)別無(wú)關(guān)的電子保險(xiǎn)絲控制器，具有集成的故障檢測(cè)、隔離和恢復(fù) （FDIR） 功能。該器件支持浪涌電流限制和理想的二極管控制FET（單向電流），這對(duì)于主電源和冗余電源之間的多路復(fù)用至關(guān)重要。此外，通過(guò)SPSC的電源管理總線（PMBus）接口，本地主機(jī)控制器可以通過(guò)簡(jiǎn)單的雙線I2C串行總線執(zhí)行系統(tǒng)管理功能，包括配置、控制和收集內(nèi)務(wù)管理數(shù)據(jù) - 由圖中的藍(lán)色雙向總線線表示。

雖然SPSC是圖4藍(lán)色和綠色框中的常見(jiàn)實(shí)體，但PowerFET的數(shù)量和尺寸因它們?cè)诩軜?gòu)中的位置和所需的額定電流而異。如前所述，電源預(yù)復(fù)用可在有效載荷切換階段顯著減小尺寸和面積。

值得注意的最后一個(gè)塊是代表SpaceUM系統(tǒng)管理中心的紫色塊，它以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式緩沖和扇出來(lái)自SpaceVPX系統(tǒng)控制器的信號(hào)到所有有效載荷插槽，并控制哪個(gè)PSU為每個(gè)有效載荷供電。流經(jīng)SpaceUM的系統(tǒng)管理信號(hào)包括IPMI通信總線、時(shí)鐘、復(fù)位和通用信號(hào)。

由于必須將全部信號(hào)單獨(dú)扇出到每個(gè)有效載荷，因此所需的I/O數(shù)量可能會(huì)很快超過(guò)典型小型微控制器的可用資源。在這種情況下，使用FPGA［現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列］或多個(gè)分立緩沖/復(fù)用電路。在圖 3 所示的概念圖中，建議使用 Arm M0+ 微控制器或耐輻射 FPGA，因?yàn)樗鼈兙哂械凸?、靈活性和小尺寸的特點(diǎn)。

最后要注意的是SpaceUM主機(jī)控制器和每個(gè)SPSC之間的PMBus接口。與采用PMBus的商業(yè)設(shè)備不同，SPSC提供冗余，無(wú)阻塞的I2C接口，在兩個(gè)主機(jī)控制器之間提供冗余的PMBus通信，從而促進(jìn)SpaceVPX標(biāo)準(zhǔn)中內(nèi)置的容錯(cuò)目標(biāo)。此外，由于I2C是多點(diǎn)串行總線，因此只需兩個(gè)引腳即可輕松實(shí)現(xiàn)主機(jī)控制器和所有電源開(kāi)關(guān)之間的整個(gè)接口。

下一站，VITA 78.0 。..

太空界對(duì)VITA 78.0 SpaceVPX標(biāo)準(zhǔn)非常感興趣。用于高性能空間計(jì)算和傳感器網(wǎng)絡(luò)的緊湊型儀器具有出色的容錯(cuò)能力和可擴(kuò)展的模塊化的想法令人信服。隨著新的專(zhuān)用太空級(jí)組件的出現(xiàn)，實(shí)施該標(biāo)準(zhǔn)變得更加容易，這些組件能夠滿足功能齊全的SpaceVPX平臺(tái)的所有要求。

為了進(jìn)一步減輕設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)，像SOSA這樣的行業(yè)組織在縮小VITA 78.0的范圍和配置排列方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，從而為在短期內(nèi)成功實(shí)施符合SpaceVPX的平臺(tái)提供了路線圖。隨著 SpaceVPX 的日益普及，行業(yè)解決方案提供商正在開(kāi)發(fā)技術(shù)，通過(guò)減少其占用空間、提高效率、擴(kuò)展其功能以及專(zhuān)門(mén)為太空任務(wù)構(gòu)建它們來(lái)直接滿足 SpaceVPX 平臺(tái)的需求。

審核編輯：郭婷