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分比式电源架构助力 Phasor 实现卫星宽带信号稳定性的变革

在低电压下提供极大电流,充分满足移动通信需求
2020-01-08
来源:Vicor

在行驶的车辆上上过网的人都知道在紧要关头信号中断有多令人失望。用户需要高速连接和带宽,不论在任何交通模式下,都能实现查看并发送消息,播放音乐及视频,或者非常流畅地召开多方视频会议。

Phasor 是一家高通量、模块化、数字化相控阵天线开发商,在移动宽带市场处于领先地位,可在航空、航海、陆地移动及国防应用中提供高度稳定、可靠的卫星连接。公司的电子控制天线建立在动态波束形成技术及系统架构最新发展的基础之上。Phasor 面向移动应用的宽带及卫星解决方案允许采用电子控制相控阵天线实现高速双向宽带互联网连接。

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天线技术

Phasor 天线由多个安装在两块 PCB 上的小型重复模块组成,上面的 PCB 正面是贴片天线阵列,背面是 Phasor 专用集成电路 (ASIC)。下面的背板为系统提供电源、控制与通信。

Phasor 开发的最新天线技术无需碟形卫星天线,可实现将纤薄、平坦的固态固定天线系统嵌入到交通工具顶部的应用。纤薄的单元厚度不足 25 毫米,性能堪比 2.4 米或更宽的碟形天线。该天线的两个主要特性是可整合性和可扩展性:可整合性使天线能够适应大多数交通工具的外形;整个模块化架构的可扩展性有助于天线满足未来的任何需求。

当Phasor 希望开发独特的移动通信系统时,它意识到其产品不仅需要将高功率密度与纤薄组件结合,而且还要在极低电压下提供极大的电流。

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符合所有这些要求的解决方案是 Vicor分比式电源架构™ (FPA™) ,两家公司过去四年一直保持紧密合作关系,以确保所开发的产品符合 Phasor 系统要求、充分满足客户需求。Phasor 发现 Vicor FPA 系统在尺寸和密度以及提供模块化和可扩展的高性能方面均处于市场领先地位。

FPA 解决方案

今天,随着高级处理器的负载电压降至 1 伏以下,这些处理器需要更大的电流。负载点的密度和低噪声对处理器性能来说日渐重要。系统设计人员面临的持续挑战是如何在不断缩小的电路板中以更快的瞬态响应和更高的电源系统效率适应更低的电压。

分比式电源架构可解决这些问题 — 它采用 DC-DC 转换器的稳压和转换功能,将其分解为两个组成部分。这有助于对各项功能进行全面优化:一个高效稳压器和一个高密度电流传输器,适用于各种低电压大电流负载。FPA 由稳压器模块 (PRM™) 和电流倍增器 (VTM™) 组成。这两款器件相互配合,每款器件都能有效发挥其特殊作用,最终完成 DC-DC 转换功能。

PRM 能通过未稳压的输入电源提供稳压输出电压或“分比式母线”。该母线为一个或多个 VTM供电,不仅可将分比式母线电压变为其负载所需的水平,同时还可提供隔离功能。因此,PRM-VTM 芯片组可提供全面的稳压隔离式 DC-DC 转换器功能。

分比式电源意味着在负载点有更多空间、功耗会减半,而且稳压功能可远程定位。

分比式电源背后的组件 :PRM 和 VTM

PRM 和 VTM 都是实现 FPA 的组件。PRM 稳压器采用已获专利的零电压开关 (ZVS) 升降压稳压器控制架构进行高效的升降压调节并提供软启动。VIN = VOUT 时,可实现最高效率;最新 PRM 可实现 99.3% 的峰值效率。

VTM 电流倍增器是一款采用专有零电流开关/零电压开关 (ZCS/ZVS) 正弦振幅转换器 (SAC™) 的高效变压模块。其工作基于具有高频谱纯度及共模对称性的纯正弦波形。这些特征意味着它不仅不会产生典型 PWM 类转换所具有的谐波含量,而且产生的噪声也极低。该控制架构将工作频率锁定至功率级谐振频率,不仅支持高达 97% 的效率,而且还可通过有效消除无功组件来最大限度降低输出阻抗。这种极低的无电感输出阻抗使其几乎可以瞬间响应负载电流的阶跃变化。

VTM 能够以 3.5MHz 的有效开关频率响应负载变化,无论幅度是否小于 1 微秒都没问题。VTM 的高带宽消除了对大型负载点电容的需求。即使没有任何外部输出电容器,VTM 的输出在应对突然出现的功率激增时对电压的扰动也非常有限。极少的外部旁路电容(低 ESR/ESL 陶瓷电容器的形式)足以消除任何瞬态电压过冲。

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变压

Phasor 天线运行成功的重要因素是 Vicor 系统能够将48V 电源转换成 1。5V 电源(新一代天线甚至更低)。Phasor ASIC 电源系统设计中的主要挑战是需要在 65A(甚至 80A)的电流下实现这一变压。

Phasor 考虑过其它解决方案,但有几个不足之处。首先,一些备选方案无法解决散热等问题。高度为 25 毫米,根本没有安装散热风扇的空间,因此 Phasor 需要的解决方案不仅能进行传导散热,同时还能尽可能不产生(和不浪费)热量。其次,传统变压方法可能涉及多个具有多个不同相位的硬开关转换器,才能实现 65A 的电流,这可能会产生大量的电磁干扰。VTM 是一种谐振转换器,因此与硬开关转换器相比,噪声极低。同时,对于供电与效率而言,Vicor 解决方案优于传统 DC/DC 转换器。

此外,Vicor 提供的 FPA 解决方案在过去 10 年中已被多家大型处理器公司采用,得到了很好的验证。

未来

Vicor 和 Phasor 所做的工作是一项重大突破,有望形成数百万美元的市场。该市场的发展将有两个重要元素:从现有的地球同步卫星网络向其它形式的宽带转型;以及发布成千上万将以宽带速度提供远程连接的近地轨道卫星系统。

对于这两家公司而言,下一个挑战是开发以更低电压 (1V) 提供更大电流的技术。

有了 Vicor 和 Phasor 的长期共生战略关系,不仅天线专家可让模块化电源专家实时了解最新 ASIC 的电源需求,而且 Vicor 还可让 Phasor 实时了解分比式电源的最新信息。这两家公司之间不断发展的合作还在继续。


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