Satellitenbetreiber bieten immer anspruchsvollere On-Board-Verarbeitungsfunktionen an, die den Einsatz aktueller Ultradeep-Submicron-FPGAs und ASICs erfordern. Diese stellen hohe Anforderungen an den Stromverbrauch bei niedrigen Spannungen und hohen Strömen. Gleichzeitig stehen Entwickler vor der Herausforderung, mit kleineren Nutzlasten und Plattformen mehr Funktionalität zu bieten.
Kleinere Satelliten verbrauchen relativ gesehen weniger Energie, und da die Verarbeitungsprozesse an Bord zunehmend schneller und umfangreicher werden, muss ein möglichst großer Teil des Energiebudgets für die Nutzlast zur Verfügung stehen. Herkömmliche Stromverteilungsarchitekturen, die einen isolierten DC/DC-Wandler umfassen, um den externen Buseingang herunterzuregeln, gefolgt von lokalen POLs, um die erforderlichen Lastspannungen zu erzeugen, sind aufgrund der großen I2R-Abfälle zu ineffizient.
Modularer Ansatz: Factorised-Power-Architecture
Die patentierte Factorised-Power-Architecture-TM (FPATM) von Vicor nutzt einen modularen Ansatz, um die I2R-Verteilungsverluste zu minimieren, den Wirkungsgrads zu maximieren und das Einschwingverhalten zu verbessern – im Gegensatz zur konventionellen, zwischengeschalteten Leistungsverteilung mit einem isolierten DC/DC-Wandler, gefolgt von Buck Bricks.
Die FPATM besteht aus zwei Stufen: der Spannungsregelung und der anschließenden Transformation. In der ersten Stufe erzeugt eine Buck-Boost-Topologie eine 48-V-Zwischenspannung aus einer externen Quelle, die deutlich höher ist als die niedrigeren Busspannungen, die normalerweise in POLs eingespeist werden. Ein 48-V-Ausgangsbus benötigt bei derselben Leistung viermal weniger Strom als ein 12-V-Zwischenbus (P=VI), und die PDN-Verluste verringern sich als Quadrat des Stroms (P=I2R) um den Faktor 16. Der Einsatz eines Reglers in der ersten Stufe zur Erzeugung von 48 V ermöglicht den höchsten Wirkungsgrad, sodass kleinere Satelliten einen größeren Teil der gewonnenen Energie nutzen können.
In der zweiten Stufe wandelt ein Transformator die 48-V-Zwischspannung in die gewünschte Lastspannung, z. B. 1 V. Der Ausgang beträgt entsprechend dem Windungsverhältnis einen festen Bruchteil des Eingangs (K-Faktor). Dabei erhöht sich der Strom um den gleichen Betrag wie die Spannung herabgesetzt wird. Mit anderen Worten, ein Eingangsstrom von 1 A würde zu einem Ausgangsstrom von 48 A vervielfacht:
Vin×Iin=( 1/K×Vout)×(K×Iout)
Zusammen bilden das Pre-Regulation-Module (PRM) und das Voltage-Transformation-Module (VTM) den Strommultiplikator der Factorised-Power-Architecture (FPA). Das PRM erzeugt eine geregelte faktorisierte Busspannung aus einem ungeregelten Eingang, gefolgt vom VTM, das die 48 V auf die gewünschte Lastspannung heruntertransformiert.
Voltage-Transformation-Module
Dank der hohen Bandbreite des VTM sind keine großen Point-of-Load Kapazitäten erforderlich. Der Ausgang zeigt auch ohne externe Ausgangskondensatoren nur eine begrenzte Spannungsstörung als Reaktion auf einen plötzlichen Spannungsanstieg. Eine minimale externe Bypass-Kapazität (in Form von Keramikkondensatoren mit niedrigem ESR/ESL-Wert) reicht aus, um ein Überschwingen der Spannung zu verhindern. Ohne die Bandbreiteneinschränkungen einer inneren Regelschleife, die die Regelung aufrechterhalten muss, weist der VTM eine Kapazitäts-Multiplikationsfunktion auf. Mit einem K-Faktor von 1/48 beträgt z. B. die effektive Shunt-Ausgangskapazität das 2304-fache der Eingangskapazität, also Csec = Cpri × K2. Somit benötigt man hinter dem VTM deutlich weniger Entkopplung; schon eine geringe Kapazität am Eingang ermöglicht die gleiche Energiespeicherung wie die sperrigen Tantal-Kapazitäten, die normalerweise am 1-V-Ausgang eines herkömmlichen Buck Bricks eingesetzt werden (Bild 1 unten). Eine niedrige Impedanz ist eine wichtige Voraussetzung für die effiziente Versorgung von Niederspannungslasten mit hohen Strömen. Der Einsatz eines VTM reduziert zudem den effektiven Widerstand, der von der Sekundärseite von K2 gesehen wird. Dadurch lässt sich der VTM entweder seitlich oder vertikal an der Last platzieren, was eine verlustärmere PDN ergibt. Die Zwischenspannung des FPA mit niedrigerem Strom und höherer Spannung erlaubt es, den PRM ohne Beeinträchtigung des Wirkungsgrads räumlich entfernt vom VTM zu platzieren. Diese Grundrissplanung unterscheidet sich stark vom traditionellen Brick-Ansatz, bei dem die isolierten DC/DC-Wandler und POLs nahe beieinander liegen müssen, um die I2R-Verteilungsverluste zu minimieren.
Weltraumtaugliche DC/DC und POL-Wandler
Die aktuellen weltraumtauglichen, isolierten DC/DC-Wandler und POLs arbeiten auf PWM-Basis, wobei die Ausgangsleistung proportional zum Tastverhältnis der Schaltfrequenz ist. Diese hart geschalteten Wandler steuern eine Induktivität oder einen Transformator mit einer Rechteckwelle an, wobei der MOSFET beim Ein- und Ausschalten Energie verbraucht. Eine Rechteckwelle enthält viele Oberschwingungen die ausgefiltert werden müssen, da sie sonst durch das gesamte System geleitet oder abgestrahlt werden. Die Topologie des VTM nutzt hingegen einen sinusförmigen Strom in der Primärwicklung, der ein saubereres Ausgangs-Rauschspektrum erzeugt und weniger Filterung erfordert. Bestehende für den Weltraum qualifizierte Abwärtsregler und Forward/Flyback-DC/DC-Wandler weisen Wirkungsgrade im Bereich von 67 bis 95 Prozent bzw. 47 bis 87 Prozent auf.
Aktuell gibt es zwölf Anbieter von raumfahrttauglichen schaltenden POLs, die fast dreißig nicht-isolierte Wandler anbieten. Diese Wandler decken Eingangsspannungen von 3 bis 16 V ab, während die Lastspannungen und -ströme von 0,785 bis 9,6 V bzw. 4 bis 18 A variieren und die Schaltfrequenzen im Bereich von 100 kHz bis 1 MHz liegen.
Außerdem bieten sieben Anbieter raumfahrttaugliche isolierende DC/DC-Wandler in mehr als dreißig Produktfamilien an. Diese DC/DCs erzeugen einfache, doppelte oder dreifache Standardspannungen oder in einigen Fällen einstellbare, geregelte, abwärts gewandelte Zwischenspannungen. Ihre Nennleistung reicht von 2,5 bis 500 W.
Sinus-Amplituden-Wandler-Topologie
Um den Anforderungen zukünftiger NewSpace-Konstellationen an die Energieverteilung sowie an Niederspannung und hohe Ströme gerecht zu werden, qualifiziert Vicor seine Sinus-Amplituden-Wandler-Topologie (SAC) für Weltraumanwendungen. Die patentierte ZCS/ZVS-Technologie ermöglicht im Vergleich zu bestehenden weltraumtauglichen DC/DC-Wandlern höhere Wirkungsgrade, größere Leistungsdichten und geringere EMV-Emissionen. SAC ist eine transformatorbasierte, serienresonante Vorwärtsarchitektur, die bei einer festen Frequenz arbeitet, die der Resonanz eines primären Resonanzkreises entspricht (Bild 2).
Die FETs auf der Primärseite sind auf die Eigenresonanzfrequenz des seriellen Resonanzkreises eingestellt und schalten im Nulldurchgang, was die Verlustleistung eliminiert und den Wirkungsgrad erhöht. Bei Resonanz heben sich die induktiven und kapazitiven Reaktanzen auf, was die Ausgangsimpedanz minimiert und diese nahezu rein ohmisch wird, was wiederum den Spannungsabfall reduziert. Durch die niedrige Ausgangsimpedanz kann der VTM fast verzögerungsfrei (< 1 µs) auf Lastsprünge reagieren. Der Strom, der durch den Resonanzkreis fließt, ist sinusförmig und weist weniger Oberwellen auf, was zu einem reineren Ausgangsrauschspektrum führt. Dadurch ist weniger Filterung der Lastspannung erforderlich.
Der SAC hat eine Vorwärts-Topologie, bei der die Eingangsenergie an den Ausgang weitergeleitet wird. Die Streuinduktivität der Primärseite wird auf ein Minimum reduziert, da sie kein kritisches Speicherelement ist. Dank dieses speziellen Betriebs ist es möglich, eine höhere Schaltfrequenz zu nutzen und kleinere magnetische Elemente mit geringeren Eigenverlusten einzusetzen. Der dadurch erzielte höhere Wirkungsgrad bedeutet, dass weniger Energie während der Umwandlung verloren geht. Das macht das Wärmemanagement einfacher. Da der SAC bei höherer Schaltfrequenz arbeitet, wird die Energie häufiger an den Ausgang übertragen, wodurch das Einschwingverhalten bei dynamischen Laständerungen auf wenige Zyklen verkürzt wird.
Strahlungstolerante DC/DC-Wandler in der Erdumlaufbahn
Vicor plant, eine Reihe von DC/DC-Wandlern in die Erdumlaufbahn zu bringen. Boeing hat etliche von ihnen bei einem O3b-Satelliten für weltraumgestütztes Internet eingesetzt und deren Einsatzrisiken bereits reduziert. Zunächst sind vier strahlungstolerante DC/DC-Wandler erhältlich.
Strahlungstoleranten DC/DC-Wandler
- Isolierendes ZVS/ZCS-SACTM-Buswandlermodul BCM3423PA0A35C0S mit 300 W, 9 A, 849 W/in3 (52 W/cm3).
- Isolierender ZVS-Abwärts/Aufwärtsregler PRM2919P36B35B0S mit 200 W, 7,7 A, 797 W/in3 (49 W/cm3).
- Isolierender ZVS/ZCS SACTM DC/DC-Wandler VTM2919P32G0450S mit200 W, 50 A, 1204 W/in3 (73 W/cm3).
- Isolierender ZVS/ZCS, SACTM DC/DC-Wandler VTM2919P35K01A5S mit 150 W, 150 A, 903 W/in3 (55 W/cm3).
Die vier DC/DC-Wandler verfügen über eine redundante Systemarchitektur, die zwei identische parallele Antriebsstränge mit fehlertoleranter Steuerung umfasst, um die SEE-Anforderungen zu erfüllen. Für niedrigere Herstellungskosten wurden die Bauteile in einem plattierten, epoxidharzgegossenen BGA unter der Bezeichnung SM-Chip verpackt, das mit standardmäßigen Oberflächenmontage-, Pick-&-Place- und Reflow-Montageverfahren kompatibel ist. Die DC/DC-Wandler sind als EAR99 von -40 bis 125 °C spezifiziert und haben verschiedene Überspannungs-, Kurzschlussstrom-, Unterspannungs- und Wärmeschutzfunktionen. Die Zieldosis beträgt 50 kRad (Si), wobei SEE- und andere Zuverlässigkeitsdaten noch 2023 veröffentlicht werden sollen.
Fazit
Die neuen strahlungstoleranten COTS-SAC-DC/DC-Wandler sind eine aktuelle Technologie für NewSpace-Anwendungen. Im Vergleich zu bestehenden qualifizierten Wandlern haben sie deutlich höhere Ausgangsleistung, Dichte und Wirkungsgrad bei kleinerem Volumen und kompakterem Formfaktor. Die geregelten Spannungen sind sauberer, was zu einer Reduzierung der Massenentkopplung führt. Es stehen Evaluierungsplatinen zur Verfügung um Entwicklern zu helfen, das Risiko zukünftiger Missionen zu minimieren.
Das FPA stellt einen Fortschritt zur Verringerung der I2R-Verteilungsverluste dar, die bisherige Intermediate-Power-Architekturen beeinflusst haben. Ein faktorisierter Bus mit niedrigem Stromverbrauch ermöglicht viel mehr eine viel größere Flexibilität bei der Platzierung von BCM und PRM außerhalb des üblichen, beengten Lastbereichs.
Jetzt gibt es eine modulare 100-V-PDN-Lösung, die SWaP-Vorteile für die Versorgung der weltraumtauglichen Ultra-Deep-Submicron-Halbleiter bietet. Die VTM enthalten leistungsstarke, ratiometrische DC/DC-Wandler und ermöglichen in Kombination mit einem PRM ein vollständiges FPA mit geschlossenem Regelkreis, das die Wirkungsgrad-Vorteile eines faktorisierten Hochspannungs-Busses nutzt (Bild 4). (bs)