设计成本低、可重复使用的配电架构 稳压电源, 半导体, 成本, 隔离, 开发

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最近，航天子系统采用的先进半导体最底限是需有多个低电压、具高电流轨条件，例如核心电压小于1伏特（V）/30安培（A）的现场可编程门阵列（FPGA）。此外，各个负载也须具有独特的排序、暂瞬、线路与负载调节的要求，这样会让配电网络的设计变得更复杂。


目前航天总线提供28和100伏特不稳定的电源轨，可用于为最新的航天级半导体生成隔离的、有效率的稳压电源。为满足未来航天子系统的需求，开发一个低成本、可扩展的配电架构，且可重复的设计是寻求从28或100伏特两种输入中，可有效地生成多个较小的电轨，并同时限制功率转换的总数。


航天级直流对直流（DC-DC）转换器可有一致的封包，印刷电路板（PCB）接脚和输出接脚要允许第一级功率变换以满足特定任务的需求，而无须重新设计硬件的设计架构。这是提供一个低成本、可重复使用、可扩展、可靠及高效率配电架构必要的一个关键要求！


开发一个低成本、可重复使用配电架构需要放眼于完整的设计，并非单独组件的价格。有些在单个封装内，整合包含一个转换器和控制回路的装置，仅要求线电压，其他的装置则需要外部电感与电容，这外部电感与电容将增加整体成本、面积、布局和设计负担。一些DC-DC包含内部电磁干扰（EMI）滤波器，而有些则需要设计者添加必要的被动组件。


下面的方块图（图1）比较航天级DC-DC转换器相对面积，可用于无论是从28或100伏特总线输入产生的中间电压，有些提供隔离输出和几个包含内部EMI滤波器。许多厂商提供不同合格范围，这些范围是根据DC-DC转换器的额定功率、输入电压、输出数量、封装类型、拓扑结构或对辐射的耐受程度而来。


图1 航太级DC-DC转换器的相对尺寸比较

最新的DC-DCS转换器使用的是零电压/电流开关技术，以提高转换效率及自适应；前馈补偿考虑到负载降电压，并避免讯号穿越隔离屏障。一些供货商进行全面的辐射检测，以作为装置的合格条件的一部分，包括增强型低剂量率灵敏度（ELDRS）、位移损害、SEE和闸极断裂。


为符合供应、调节和最新的半导体瞬态电流的要求，切换或线性负载点（POL）被用来提供一个高效率的配电架构，以及用一种集中式的方法克服大量输电损失。


许多航天级半导体供货商贩卖的POL，提供不同功率和电流额定值、拓扑结构、效率、混和讯号、双极，以及多个、特定线路可调输出选项、负载与交叉监管规格。就如同DC-DC，一种低成本、可重复使用配电结构的设计要求着眼在完整的设计，而不只是单独组件的价格。一些POL包含转换器，其控制回路整合在单个封装内，仅要求在线路输入时，中间总线的电压。其他需要外部电感器和电容器的组件，将增加总体成本、面积、布局和设计负担。图2比较最新航天级POL相对面积。


图2 比较航太级POL相对尺寸

为了符合FPGA应用需求，多个POL可串行连接以增加整体DC-DC的输出电流额定值。举例而言，图3显示两个航天级电路连接在一起时，可以提供1伏特核心电压来启动一颗赛灵思（Xilinx）V5QV FPGA；图4则以一个整合产品为例，该产品可被配置为在4安培额定电流，输出4个独立电轨，或是在降低波纹的一个单一15安培电源供应。一个较小、4安培单一输入产品也可以用得上。


图3 并联2个10安培电路可以产生20安培DC-DC

图4 4个4安培POL的产品

现在可以开发出低成本、可重复使用、可扩展、可靠、高效率的配电结构供未来卫星子系统使用。在各种拓扑的一个多元化的DC-DC、开关和线性POL，都可用来设计新产品。