När Phasor började utveckla sina mobilkommunikationssystem, insåg man att produkterna skulle behöva inkludera en kombination av tunna komponenter med hög effekttäthet som samtidigt ger extremt hög ström vid mycket låg spänning.
Den lösning som tillgodosåg samtliga krav var Vicors anpassningsbara kraftarkitektur (FPA, Factorized Power Architecture). Lösningen ger ström vid låg spänning för mobil kommunikation.

Alla som någon gång försökt ansluta till internet från ett fordon i rörelse vet hur frustrerande det kan vara om signalen bryts när det är som mest opassande. Användare kräver anslutningshastigheter och bandbredd som möjliggör för dem att inte bara nätsurfa och skicka meddelanden utan även strömma musik och video eller delta i videokonferenser utan avbrott och oavsett transportmedel.

Phasor utvecklar högeffektiva, modulära, digitala, fasstyrda antenner för mobilt bredband. Antennerna ger robust och tillförlitlig satellituppkoppling för flyg-, sjöfarts-, fordons- och försvarstillämpningar. Företagets elektroniskt styrbara antenner är baserade på de senaste framstegen inom dynamisk strålformning och systemarkitektur. Phasors bredbands- och satellitlösningar för applikationer på resande fot möjliggör snabb, bredbandig, tvåvägsbaserad internetanslutning med hjälp av elektroniskt fasstyrda antenner.

Antennteknik
En Phasor-antenn består av flera små upprepade moduler inpassade på två mönsterkort. På det översta kortets framsida sitter systemet “patch”-antenner och på baksidan sitter Phasors integrerade specialkrets (asic). Det andra kortet innehåller kretsar för systemets kraft, styrning och kommunikation.

Den senaste antenntekniken utvecklad av Phasor utesluter behovet av paraboler och gör att mycket tunna och platta, halvledarbaserade, icke-rörliga antennsystem kan byggas in i taket på fordon. En enhet med låg bygghöjd, mindre än 25 mm, kan ge prestanda som motsvarar de hos en parabol som mäter 2,4 m eller mer. Två av antennernas främsta egenskaper är att de är formbara, vilket gör att de passar i flertalet fordon, och att de är skalbara tack vare en modulär arkitektur som gör att de kan tillgodose samtliga framtida behov.

När Phasor började utveckla sina mobilkommunikationssystem, insåg man att produkterna skulle behöva inkludera en kombination av tunna komponenter med hög effekttäthet som samtidigt ger extremt hög ström vid mycket låg spänning.

Den lösning som tillgodosåg samtliga krav var Vicors anpassningsbara kraftarkitektur (FPA, Factorized Power Architecture). Under de senaste fyra åren har de båda företagen haft ett nära samarbete för att se till att det som togs fram uppfyllde Phasors behov och kundernas krav. Phasor fann att Vicors FPA-system är marknadsledande i fråga om storlek och densitet och har förmåga att ge hög prestanda som är modulär och skalbar.

FPA-lösning
Avancerade processorer kräver nu högre ström eftersom de har en lastspänning på mindre än 1 V. Densitet och lågt brus vid lastpunkten (point-of-load, PoL) blir allt viktigare för processorns prestanda. För systemutvecklare innebär det att de tvingas inhysa lägre spänning med snabbare transientsvar och kraftsystem med högre verkningsgrad på ett allt mindre kortutrymme.

Anpassningsbar kraftarkitektur, FPA, löser det problemet. Den tar DC/DC-omvandlarens funktioner för reglering och omvandling och delar upp det i två beståndsdelar. Det gör att varje funktion kan optimeras fullständigt: En regulator med hög verkningsgrad tillsammans med en kompakt strömkälla för olika typer av strömkrävande lågspänningslaster.

FPA består av en förreglerarmodul (PRM, Pre-Regulator Module) och en spänningsomvandlarmodul (VTM, Voltage Transformation Module)/strömmultiplikator. Genom att utföra sina egna specifika uppgifter effektivt samarbetar de båda kretsarna för att gemensamt Vicor,fullborda DC/DC-omvandlingsfunktionen.

PRM tillhandahåller en reglerad utspänning, eller ‘”auktoriserad buss” från en oreglerad inkälla. Denna buss matar en eller flera VTM:er som omvandlar den anpassningsbara buss-spänningen till den nivå som behövs för lasten, samtidigt som den även tillhandahåller isolation. Så ett PRM/VTM-kretsset ger en fullständig, reglerad, isolerad DC/DC-omvandlarfunktion.

Uppdelad kraft, FP (Factorized Power) ger mer utrymme vid lastpunkten, POL (Point of Load) då hälften av effekttillförseln och reglerfunktionen kan placeras ”remote” på distans från effektförbrukaren.

Komponenterna bakom anpassningsbar kraft:  VTM och PRM
PRM och VTM är de komponenter som möjliggör FPA. PRM använder en patenterad nollspännings- (Zero-Voltage Switching, ZVS)-baserad buck/boost-regulatorstyrd arkitektur för att ge högeffektiv “step-up” och “step-down” spänningsreglering och mjukstart; maximal verkningsgrad uppnås när V_IN = V_UT, som når 99,3 % med senaste PRM:er.

VTM:ens strömmultiplikator är en högeffektiv spänningsomvandlingsmodul som utnyttjar en egenutvecklad nollströms-/nollspännings-(ZCS/ZVC)-SAC (Sine Amplitude Converter). Den fungerar på en ren sinusvågform som spektralt sett är mycket ren och ger “common-mode”-symmetri. Dessa egenskaper innebär att den inte genererar de övertoner som är typiska för PWM-omvandling och ger minimalt brus. Styrningens arkitektur låser arbetsfrekvensen till driftens resonansfrekvens, vilket ger en verkningsgrad på upp till 97 % och minimerar utgående impedans genom att fullständigt utesluta reaktiva komponenter. Denna mycket låga, icke-induktiva impedans på utgången gör att den kan svara nästan omedelbart om lastströmmen förändras.

VTM svarar på lastförändringar oavsett storlek på mindre än en mikrosekund med en effektiv switchfrekvens på 3,5 MHz. VTM:ens stora bandbredd utesluter behovet av en stor kapacitans vid lastpunkten (point-of-load, PoL). Även utan externa utkondensatorer uppvisar utgången för en VTM begränsad spänningsstörning som svar på en plötslig strömstöt. En minimal mängd extern bypass-kapacitanser (i form av låg ESR/ESL-keramkondensatorer) räcker för att utesluta förhöjda spänningstransienter.

Omvandling
För att Phasors antenn ska fungera ordentligt måste Vicors system kunna omvandla matningsspänningen från 48 V till 1,5 V (eller ännu lägre i nästa generation av antenner). Phasors önskemål att omvandlingen skulle ske vid 65 A (eller t o m 80 A) var en stor utmaning vid konstruktionen av de integrerade kretsarnas kraftmatning.

Phasor tittade på alternativa lösningar, men upptäckte ett flertal nackdelar. För det första klarade vissa av alternativen inte av att hantera exempelvis värmeutvecklingen. Med en bygghöjd på 25 mm finns det inte utrymme för en fläkt, så Phasor behövde en lösning som kunde avleda värme samtidigt som den genererar så lite värme som möjligt. För det andra kräver traditionella metoder för spänningsomvandling ibland flera hårdswitchade omvandlare med flera olika faser för att uppnå 65 A, vilket kan ge upphov till hög EMI. Eftersom VTMen är en omvandlare baserad på resonans har den mycket lågt brus jämfört med en hårdswitchad omvandlare. Samtidigt var Vicors lösning överlägsen traditionella DC/DC-omvandlare i fråga om kraftleverans och verkningsgrad.

Den FPA-lösning som Vicor erbjöd, hade använts av flera stora processorföretag under de senaste tio åren och var väl beprövad.

Framtiden
Vicors och Phasors arbete representerar ett stort genombrott inom det som förväntas bli en multimiljondollar-marknad. Två viktiga faktorer kommer att se till att den marknaden utvecklas: Övergången från existerande nätverk av geostationära satelliter till andra former av bredband och lanseringen av många tusentals lågtgående satelliter som kommer att leverera fjärrkonnektivitet med bredbandshastighet.

Nästa utmaning för de båda företagen är övergången till ännu lägre spänning (1 V) med ännu högre ström.

Det långsiktiga symbiotiska och strategiska samarbetet mellan Vicor och Phasor möjliggör för antennexperterna att hålla specialisten inom modulär kraft uppdaterad om kraftbehoven för de senaste integrerade specialkretsarna, och för Vicor att hålla Phasor uppdaterad om det senaste inom anpassningsbar kraft (factorised power). Samspelet mellan våra företag fortsätter att ständigt utvecklas.

Av Martin Walker, affärsutvecklingschef, Vicor

Filed under: Stromforsorjning, Utländsk Teknik