面向新太空應(yīng)用的DC-DC轉(zhuǎn)換器解決方案

小型衛(wèi)星收集的能量較少，隨著運營商越來越多地使用更快速的板載處理，應(yīng)盡可能多地將電力預(yù)算分配給有效載荷。傳統(tǒng)的配電架構(gòu)包括一個隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器（用來降低外部母線輸入電壓），然后是本地化的負(fù)載點（POL）轉(zhuǎn)換器；但由于 I2R 損耗較大，這種架構(gòu)變得效率低下。為了完成新一代太空任務(wù)，需要在轉(zhuǎn)換損耗、功率密度、物理尺寸以及與最新超深亞微米器件開關(guān)速度相匹配的瞬態(tài)響應(yīng)等方面做出改進(jìn)。

圖 1：FPA 與傳統(tǒng)中間架構(gòu)的對比。

Vicor 的分比式電源架構(gòu)（FPA）采用模塊化方法，可以最大限度地減少 I2R 分配損耗，提高效率并改善瞬態(tài)響應(yīng)。FPA 包括兩個階段：穩(wěn)壓和變壓。首先，使用一個升降壓（buck-boost）拓?fù)?，從外部電源生?48V 中間電壓軌，這比通常輸入到 POL 的較低母線電壓要高得多。例如，對于相同的功率，48V 輸出母線所需的電流比 12V 中間母線（P = VI）低 4 倍，而 PDN 損耗是該電流的平方（P = I2R），其可將損耗降低 16 倍。先配置穩(wěn)壓器并穩(wěn)壓至 48V 輸出，將實現(xiàn)最高的效率。

圖 2：全橋 SAC 串聯(lián)諧振拓?fù)?/p>

FPA 的第二階段使用變壓器將 48V 中間電壓軌轉(zhuǎn)換為所需的負(fù)載電壓。輸出電壓是輸入電壓的固定比例（K 因數(shù)），由匝數(shù)比決定。電壓降低的同時，電流會相應(yīng)增加，例如，1A 的輸入電流可能會倍增至 48A 的輸出電流：

預(yù)穩(wěn)壓模塊（PRM）和變壓模塊（VTM）的電流倍增器相結(jié)合，形成了 FPA。這兩款器件相互配合，發(fā)揮其作用以完成 DC-DC 轉(zhuǎn)換。PRM 把未穩(wěn)壓的輸入電源轉(zhuǎn)換為穩(wěn)壓后的“分比式母線”，然后由 VTM 將 48V 轉(zhuǎn)換（降壓）為所需的負(fù)載電壓。

VTM 的高帶寬可避免對大容量負(fù)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 ESR/ESL 陶瓷電容）就足以消除任何瞬態(tài)電壓過沖。VTM 提供獨特的電容倍增功能，而不會受到內(nèi)部控制環(huán)路努力維持穩(wěn)壓帶來的帶寬限制。例如，當(dāng)使用 1/48 的 K 因數(shù)時，有效的并聯(lián)輸出電容是輸入電容的 2304 倍，即CSEC= CPRI* K2。這意味著 VTM 下游所需的去耦電容顯著減少，只需在其輸入端添加少量電容，就能達(dá)到與傳統(tǒng)降壓模塊 1V 輸出端通常添加的大型鉭電容相同的能量存儲效果，如下所示。低阻抗是高效地為低電壓、高電流負(fù)載供電的關(guān)鍵要求，使用 VTM 還可以將從二次側(cè)（secondary side）看到的有效電阻降低 K2 倍。這允許將 VTM 放置在靠近負(fù)載的位置，無論是橫向還是縱向，使配電網(wǎng)絡(luò)（PDN）的損耗更低。FPA 的低電流、高電壓中間母線意味著 PRM 可以物理上遠(yuǎn)離 VTM 而不影響效率。這在決定 PRM 的放置位置時提供了更大的靈活性，減少了對負(fù)載區(qū)域擁塞的擔(dān)憂，并為電源平面的設(shè)計提供了更多自由，以實現(xiàn)最大的電流密度。這種布局規(guī)劃與傳統(tǒng)的磚塊方法大不相同，后者要求隔離式 DC-DC 和 POL 靠近放置，以最小化 I2R 分配損耗。

目前的航天級隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器和降壓 POL 都是基于 PWM 的器件，輸出功率與開關(guān)頻率的占空比成正比。這些硬開關(guān)轉(zhuǎn)換器使用方波來驅(qū)動電感器或變壓器，MOSFET 在開關(guān)時會損耗能量。方波包含大量諧波，必須進(jìn)行濾波，否則會通過傳導(dǎo)或輻射影響整個系統(tǒng)。VTM 的拓?fù)湓谠吚@組中使用正弦電流，產(chǎn)生更清潔的輸出噪聲頻譜，所需的濾波更少?，F(xiàn)有的航天級降壓穩(wěn)壓器和正向/反激式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的效率分別在 67% 到 95% 和 47% 到 87% 之間。

為了滿足未來新太空應(yīng)用星座的電力分配以及低電壓、高電流需求，Vicor 正在為其正弦振幅轉(zhuǎn)換器（SAC）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)申請航天級認(rèn)證。與現(xiàn)有的航天級 DC-DC 轉(zhuǎn)換器相比，這種零電流開關(guān)/零電壓開關(guān)（ZCS/ZVS）技術(shù)的效率更高，功率密度更大，電磁干擾（EMI）更低。SAC 是一種基于變壓器的串聯(lián)諧振正向架構(gòu)，以與初級諧振電路諧振頻率相同的固定頻率運行，如下文所示：

一次側(cè)的場效應(yīng)晶體管（FET）被鎖定在串聯(lián)諧振電路的自然諧振頻率上，并在零電壓交叉點開關(guān)，消除了功率損耗并提高了效率。在諧振狀態(tài)下，電感和電容的反應(yīng)相互抵消，最小化輸出阻抗，使其變?yōu)榧冸娮?，從而減少壓降。由此產(chǎn)生的極低輸出阻抗使 VTM 能夠幾乎瞬時（<1μs）響應(yīng)負(fù)載的階躍變化。流經(jīng)諧振電路的電流為正弦波，諧波含量較少，從而形成更清潔的輸出噪聲頻譜，需要對負(fù)載電壓進(jìn)行的濾波更少。

SAC 采用正向拓?fù)?，輸入能量直接傳遞到輸出。一次側(cè)的漏感被最小化，因為它不是關(guān)鍵的儲能元件。SAC 正向拓?fù)涞莫毺夭僮鞣绞绞蛊淠軌驅(qū)崿F(xiàn)更高的開關(guān)頻率，使用的磁性元件更小，固有損耗更低。由此帶來的效率提升意味著能量轉(zhuǎn)換過程中浪費的功率更少，可以簡化熱管理，并允許以更小的封裝提供更大的輸出電流和更高的功率密度。更快的操作頻率使能量可以更頻繁地傳輸?shù)捷敵龆?，提高了對動態(tài)負(fù)載變化的瞬態(tài)響應(yīng)能力，僅需幾個周期。

Vicor 的 DC-DC 部件已通過波音公司的風(fēng)險評估，并被設(shè)計用于提供航天級互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的 O3b 衛(wèi)星。初期，Vicor 將提供四種耐輻射的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器：

圖 3：新型 BCM、PRM 和 VTM 耐輻射 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。

01300W、9A、849W/in3 的隔離式 ZVS/ZCS SAC 母線轉(zhuǎn)換模塊（BCM3423PA0A35C0S）。接受 94 至 105V 的直流輸入，輸出固定為輸入 31 至 35V 的 1/3。最大環(huán)境效率為 94%，封裝尺寸為 33.5 x 23.1 x 7.4mm，重量為 25.9g。

02200W、7.7A、797W/in3 的非隔離式 ZVS 升降壓穩(wěn)壓器（PRM2919P36B35B0S）。接受 30 至 36V 的輸入電壓，輸出可調(diào)電壓范圍為 13.4 至 35V。最大環(huán)境效率為 96%，封裝尺寸為 29.2 x 19.0 x 7.4mm，重量為 18.2g。

03200W、50A、1204W/in3 的隔離式 ZVS/ZCS SAC DC-DC 轉(zhuǎn)換器（VTM2919P32G0450S）。接受 16 至 32V 的輸入電壓，輸出電壓固定為輸入電壓的 1/8，范圍為 2 至 4V。最大環(huán)境效率為 93%，封裝尺寸為 29.2 x 19.0 x 4.9mm，重量為 11g。

04150W、150A、903W/in3 的隔離式 ZVS/ZCS SAC DC-DC 轉(zhuǎn)換器（VTM2919P35K01A5S）。接受 13.4 至 35V 的輸入電壓，輸出電壓固定為輸入電壓的 1/32，范圍為 0.42 至 1.1V。最大環(huán)境效率為 91%，封裝尺寸為 29.2 x 19.0 x 4.9mm，重量為 13.3g。

這四款 DC-DC 轉(zhuǎn)換器采用了冗余系統(tǒng)架構(gòu)，包含兩個相同的并聯(lián)動力系統(tǒng)，并具有容錯控制，以滿足單粒子效應(yīng)（SEE）要求。為了降低制造成本，這些部件采用了鍍層環(huán)氧樹脂模塑 BGA 封裝，具有出色的導(dǎo)熱性，被命名為 SM-ChiP，兼容標(biāo)準(zhǔn)的表面貼裝、“拾取和放置”（pick-&-place）以及回流焊接工藝。這些 DC-DC 轉(zhuǎn)換器屬于 EAR99 管制類別，工作溫度范圍為 -40 至 125°C，并提供多種過壓、短路電流、欠壓和熱保護(hù)功能。目標(biāo)總劑量輻射耐受度為 50kRad（Si）；SEE 和其他可靠性數(shù)據(jù)將在今年晚些時候發(fā)布。

為了突顯這些新型耐輻射 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的卓越功率密度，圖 4 和圖 5 分別比較了它們與現(xiàn)有航天級開關(guān) POL 和隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的相對尺寸。每個轉(zhuǎn)換器的功率密度（W/in3）、效率（%）和電流密度（A/in2）分別用藍(lán)色、橙色和紅色標(biāo)注。通常會為不同的負(fù)載條件指定一系列效率值。

圖 4：航天級開關(guān) POL 與 VTM2919 系列的比較。

圖 5：航天級隔離式 DC-DC 與 BCM 及 PRM 的比較。

與現(xiàn)有的合格轉(zhuǎn)換器相比，新型抗輻射商用現(xiàn)貨 SAC DC-DC 轉(zhuǎn)換器的體積和規(guī)格更小，實現(xiàn)了輸出功率、密度和效率的大幅提升。穩(wěn)壓后的電壓更加清潔，需要的大容量去耦電容更少。這些部件將從明年開始積累使用經(jīng)驗，目前已有評估板可供使用。

圖 6：用于航天器航空電子設(shè)備的模塊化 100V 配電解決方案。