分比式電源架構(gòu)助力 Phasor 實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星寬帶信號穩(wěn)定性的變革

在行駛的車輛上上過網(wǎng)的人都知道在緊要關(guān)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(shí)現(xiàn)查看并發(fā)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(shù)字化相控陣天線開發(fā)商，在移動寬帶市場處于領(lǐng)先地位，可在航空、航海、陸地移動及國防應(yīng)用中提供高度穩(wěn)定、可靠的衛(wèi)星連接。公司的電子控制天線建立在動態(tài)波束形成技術(shù)及系統(tǒng)架構(gòu)最新發(fā)展的基礎(chǔ)之上。Phasor 面向移動應(yīng)用的寬帶及衛(wèi)星解決方案允許采用電子控制相控陣天線實(shí)現(xiàn)高速雙向?qū)拵Щヂ?lián)網(wǎng)連接。

天線技術(shù)

Phasor 天線由多個安裝在兩塊 PCB 上的小型重復(fù)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(tǒng)提供電源、控制與通信。

Phasor 開發(fā)的最新天線技術(shù)無需碟形衛(wèi)星天線，可實(shí)現(xiàn)將纖薄、平坦的固態(tài)固定天線系統(tǒng)嵌入到交通工具頂部的應(yīng)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(kuò)展性：可整合性使天線能夠適應(yīng)大多數(shù)交通工具的外形；整個模塊化架構(gòu)的可擴(kuò)展性有助于天線滿足未來的任何需求。

當(dāng)Phasor 希望開發(fā)獨(dú)特的移動通信系統(tǒng)時，它意識到其產(chǎn)品不僅需要將高功率密度與纖薄組件結(jié)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(gòu) (FPA) ，兩家公司過去四年一直保持緊密合作關(guān)系，以確保所開發(fā)的產(chǎn)品符合 Phasor 系統(tǒng)要求、充分滿足客戶需求。Phasor 發(fā)現(xiàn) Vicor FPA 系統(tǒng)在尺寸和密度以及提供模塊化和可擴(kuò)展的高性能方面均處于市場領(lǐng)先地位。

FPA 解決方案

今天，隨著高級處理器的負(fù)載電壓降至 1 伏以下，這些處理器需要更大的電流。負(fù)載點(diǎn)的密度和低噪聲對處理器性能來說日漸重要。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨的持續(xù)挑戰(zhàn)是如何在不斷縮小的電路板中以更快的瞬態(tài)響應(yīng)和更高的電源系統(tǒng)效率適應(yīng)更低的電壓。

分比式電源架構(gòu)可解決這些問題 — 它采用 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)壓和轉(zhuǎn)換功能，將其分解為兩個組成部分。這有助于對各項(xiàng)功能進(jìn)行全面優(yōu)化：一個高效穩(wěn)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(fù)載。FPA 由穩(wěn)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(fā)揮其特殊作用，最終完成 DC-DC 轉(zhuǎn)換功能。

PRM 能通過未穩(wěn)壓的輸入電源提供穩(wěn)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?yōu)槠湄?fù)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(wěn)壓隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器功能。

分比式電源意味著在負(fù)載點(diǎn)有更多空間、功耗會減半，而且穩(wěn)壓功能可遠(yuǎn)程定位。

分比式電源背后的組件 ：PRM 和 VTM

PRM 和 VTM 都是實(shí)現(xiàn) FPA 的組件。PRM 穩(wěn)壓器采用已獲專利的零電壓開關(guān) (ZVS) 升降壓穩(wěn)壓器控制架構(gòu)進(jìn)行高效的升降壓調(diào)節(jié)并提供軟啟動。VIN = VOUT 時，可實(shí)現(xiàn)最高效率；最新 PRM 可實(shí)現(xiàn) 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(guān)／零電壓開關(guān) (ZCS/ZVS) 正弦振幅轉(zhuǎn)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(chǎn)生典型 PWM 類轉(zhuǎn)換所具有的諧波含量，而且產(chǎn)生的噪聲也極低。該控制架構(gòu)將工作頻率鎖定至功率級諧振頻率，不僅支持高達(dá) 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(yīng)負(fù)載電流的階躍變化。

VTM 能夠以 3.5MHz 的有效開關(guān)頻率響應(yīng)負(fù)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(fù)載點(diǎn)電容的需求。即使沒有任何外部輸出電容器，VTM 的輸出在應(yīng)對突然出現(xiàn)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(tài)電壓過沖。

變壓

Phasor 天線運(yùn)行成功的重要因素是 Vicor 系統(tǒng)能夠?qū)?8V 電源轉(zhuǎn)換成 1.5V 電源（新一代天線甚至更低）。Phasor ASIC 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的主要挑戰(zhàn)是需要在 65A（甚至 80A）的電流下實(shí)現(xiàn)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(fēng)扇的空間，因此 Phasor 需要的解決方案不僅能進(jìn)行傳導(dǎo)散熱，同時還能盡可能不產(chǎn)生（和不浪費(fèi)）熱量。其次，傳統(tǒng)變壓方法可能涉及多個具有多個不同相位的硬開關(guān)轉(zhuǎn)換器，才能實(shí)現(xiàn) 65A 的電流，這可能會產(chǎn)生大量的電磁干擾。VTM 是一種諧振轉(zhuǎn)換器，因此與硬開關(guān)轉(zhuǎn)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(yōu)于傳統(tǒng) DC/DC 轉(zhuǎn)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(yàn)證。

未來

Vicor 和 Phasor 所做的工作是一項(xiàng)重大突破，有望形成數(shù)百萬美元的市場。該市場的發(fā)展將有兩個重要元素：從現(xiàn)有的地球同步衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)向其它形式的寬帶轉(zhuǎn)型；以及發(fā)布成千上萬將以寬帶速度提供遠(yuǎn)程連接的近地軌道衛(wèi)星系統(tǒng)。

對于這兩家公司而言，下一個挑戰(zhàn)是開發(fā)以更低電壓 (1V) 提供更大電流的技術(shù)。

有了 Vicor 和 Phasor 的長期共生戰(zhàn)略關(guān)系，不僅天線專家可讓模塊化電源專家實(shí)時了解最新 ASIC 的電源需求，而且 Vicor 還可讓 Phasor 實(shí)時了解分比式電源的最新信息。這兩家公司之間不斷發(fā)展的合作還在繼續(xù)。