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分比式電源架構助力 Phasor 實現衛星寬帶信號穩定性的變革

2020-01-08 13:58:28 Vicor 公司

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在行駛的車輛上上過網的人都知道在緊要關頭信號中斷有多令人失望。用戶需要高速連接和帶寬，不論在任何交通模式下，都能實現查看并發送消息，播放音樂及視頻，或者非常流暢地召開多方視頻會議。

Phasor 是一家高通量、模塊化、數字化相控陣天線開發商，在移動寬帶市場處于領先地位，可在航空、航海、陸地移動及國防應用中提供高度穩定、可靠的衛星連接。公司的電子控制天線建立在動態波束形成技術及系統架構最新發展的基礎之上。Phasor 面向移動應用的寬帶及衛星解決方案允許采用電子控制相控陣天線實現高速雙向寬帶互聯網連接。

天線技術

Phasor 天線由多個安裝在兩塊 PCB 上的小型重復模塊組成，上面的 PCB 正面是貼片天線陣列，背面是 Phasor 專用集成電路 (ASIC)。下面的背板為系統提供電源、控制與通信。

Phasor 開發的最新天線技術無需碟形衛星天線，可實現將纖薄、平坦的固態固定天線系統嵌入到交通工具頂部的應用。纖薄的單元厚度不足 25 毫米，性能堪比 2.4 米或更寬的碟形天線。該天線的兩個主要特性是可整合性和可擴展性：可整合性使天線能夠適應大多數交通工具的外形；整個模塊化架構的可擴展性有助于天線滿足未來的任何需求。

當Phasor 希望開發獨特的移動通信系統時，它意識到其產品不僅需要將高功率密度與纖薄組件結合，而且還要在極低電壓下提供極大的電流。

符合所有這些要求的解決方案是 Vicor 的分比式電源架構™ (FPA™) ，兩家公司過去四年一直保持緊密合作關系，以確保所開發的產品符合 Phasor 系統要求、充分滿足客戶需求。Phasor 發現 Vicor FPA 系統在尺寸和密度以及提供模塊化和可擴展的高性能方面均處于市場領先地位。

FPA 解決方案

今天，隨著高級處理器的負載電壓降至 1 伏以下，這些處理器需要更大的電流。負載點的密度和低噪聲對處理器性能來說日漸重要。系統設計人員面臨的持續挑戰是如何在不斷縮小的電路板中以更快的瞬態響應和更高的電源系統效率適應更低的電壓。

分比式電源架構可解決這些問題 — 它采用 DC-DC 轉換器的穩壓和轉換功能，將其分解為兩個組成部分。這有助于對各項功能進行全面優化：一個高效穩壓器和一個高密度電流傳輸器，適用于各種低電壓大電流負載。FPA 由穩壓器模塊 (PRM™) 和電流倍增器 (VTM™) 組成。這兩款器件相互配合，每款器件都能有效發揮其特殊作用，最終完成 DC-DC 轉換功能。

PRM 能通過未穩壓的輸入電源提供穩壓輸出電壓或“分比式母線”。該母線為一個或多個 VTM供電，不僅可將分比式母線電壓變為其負載所需的水平，同時還可提供隔離功能。因此，PRM-VTM 芯片組可提供全面的穩壓隔離式 DC-DC 轉換器功能。
分比式電源意味著在負載點有更多空間、功耗會減半，而且穩壓功能可遠程定位。

分比式電源背后的組件：PRM 和 VTM

PRM 和 VTM 都是實現 FPA 的組件。PRM 穩壓器采用已獲專利的零電壓開關 (ZVS) 升降壓穩壓器控制架構進行高效的升降壓調節并提供軟啟動。V_IN = V_OUT 時，可實現最高效率；最新 PRM 可實現 99.3％的峰值效率。

VTM 電流倍增器是一款采用專有零電流開關／零電壓開關 (ZCS/ZVS) 正弦振幅轉換器 (SAC™) 的高效變壓模塊。其工作基于具有高頻譜純度及共模對稱性的純正弦波形。這些特征意味著它不僅不會產生典型 PWM 類轉換所具有的諧波含量，而且產生的噪聲也極低。該控制架構將工作頻率鎖定至功率級諧振頻率，不僅支持高達 97％的效率，而且還可通過有效消除無功組件來最大限度降低輸出阻抗。這種極低的無電感輸出阻抗使其幾乎可以瞬間響應負載電流的階躍變化。

VTM 能夠以 3.5MHz 的有效開關頻率響應負載變化，無論幅度是否小于 1 微秒都沒問題。VTM 的高帶寬消除了對大型負載點電容的需求。即使沒有任何外部輸出電容器，VTM 的輸出在應對突然出現的功率激增時對電壓的擾動也非常有限。極少的外部旁路電容（低 ESR/ESL 陶瓷電容器的形式）足以消除任何瞬態電壓過沖。

變壓

Phasor 天線運行成功的重要因素是 Vicor 系統能夠將48V 電源轉換成 1.5V 電源（新一代天線甚至更低）。Phasor ASIC 電源系統設計中的主要挑戰是需要在 65A（甚至 80A）的電流下實現這一變壓。

Phasor 考慮過其它解決方案，但有幾個不足之處。首先，一些備選方案無法解決散熱等問題。高度為 25 毫米，根本沒有安裝散熱風扇的空間，因此 Phasor 需要的解決方案不僅能進行傳導散熱，同時還能盡可能不產生（和不浪費）熱量。其次，傳統變壓方法可能涉及多個具有多個不同相位的硬開關轉換器，才能實現 65A 的電流，這可能會產生大量的電磁干擾。VTM 是一種諧振轉換器，因此與硬開關轉換器相比，噪聲極低。同時，對于供電與效率而言，Vicor 解決方案優于傳統 DC/DC 轉換器。

此外，Vicor 提供的 FPA 解決方案在過去 10 年中已被多家大型處理器公司采用，得到了很好的驗證。

未來

Vicor 和 Phasor 所做的工作是一項重大突破，有望形成數百萬美元的市場。該市場的發展將有兩個重要元素：從現有的地球同步衛星網絡向其它形式的寬帶轉型；以及發布成千上萬將以寬帶速度提供遠程連接的近地軌道衛星系統。

對于這兩家公司而言，下一個挑戰是開發以更低電壓 (1V) 提供更大電流的技術。
有了 Vicor 和 Phasor 的長期共生戰略關系，不僅天線專家可讓模塊化電源專家實時了解最新 ASIC 的電源需求，而且 Vicor 還可讓 Phasor 實時了解分比式電源的最新信息。這兩家公司之間不斷發展的合作還在繼續。