相控陣列天線技術的出現，使得衛星天線的尺寸得以顯著縮小，進而能整合在更多樣化的系統設備中。Phasor就是一家模組化、數位化相控陣列天線的領導開發商，其天線方案(圖1)可在航空、航海、陸地行動及國防應用中提供高穩定度、可靠的衛星連線。公司的電子控制天線建立在動態波束形成技術及系統架構最新發展的基礎之上。Phasor針對行動應用的寬頻及衛星解決方案，允許採用電子控制相控陣列天線實現高速雙向寬頻網際網路連線。
不過，相控陣列天線雖可大幅縮小衛星天線的尺寸，卻也帶來功率設計上的難題。因此，Phasor決定與電源模組供應商Vicor合作，利用Vicor的分比式電源技術來解決微型衛星天線模組所面臨的功率設計挑戰。
天線尺寸明顯縮小 電源設計成為新難題
Phasor的天線由多個安裝在兩塊印刷電路板(PCB)上的小型模組所組成，上面的PCB正面是貼片天線陣列，背面是Phasor所開發的專用積體電路(ASIC)。下面的背板為系統提供電源、控制與通訊，其結構如圖2所示。
Phasor開發的最新天線技術無需碟型衛星天線，可實現將纖薄、平坦的固態固定天線系統嵌入到交通工具頂部的應用。其天線單元的厚度不到25公釐，效能卻堪比2.4公尺或更寬的碟型天線。該天線的兩個主要特性是可整合性和可擴充性：可整合性使天線能夠適應大多數交通工具的外形；整個模組化架構的可擴充性有助於天線滿足未來的任何需求。
當Phasor希望開發獨特的行動通訊系統時，它意識到其產品不僅需要將高功率密度與纖薄元件結合，而且還要在極低電壓下提供極大的電流。
符合上述所有要求的解決方案是Vicor 的分比式電源架構(FPA)，兩家公司過去四年一直保持緊密合作關係，以確保所開發的產品符合Phasor的系統要求、充分滿足客戶需求。Phasor發現Vicor FPA系統在尺寸和密度以及提供模組化和可擴充的高效能方面均處於市場領先地位。
分比式電源滿足低電壓/大電流需求
今天，隨著高新先進處理器的負載電壓降至1伏特(V)以下，這些處理器需要更大的電流。負載點的密度和低雜訊對處理器效能來說日漸重要。系統設計人員面臨的持續挑戰是如何在不斷縮小的電路板中，以更快的暫態響應和更高的電源系統效率，穩定地提供更低的電壓。
分比式電源架構可解決這些問題—它採用DC-DC轉換器的穩壓和轉換功能，將其分解為兩個組成部分。這有助於對各項功能進行全面最佳化：一個高效穩壓器和一個高密度電流傳輸器，適用於各種低電壓大電流負載。FPA由穩壓器模組(PRM)和電流倍增器(VTM)組成。這兩款模組相互配合，每款模組都能有效發揮其特殊作用，最終完成DC-DC轉換功能。
PRM能透過未穩壓的輸入電源提供穩壓輸出電壓或「分比式母線」。該母線可以對一個或多個VTM供電，不僅能將分比式母線電壓轉變為其負載點所需的水準，同時還可以提供隔離功能。因此，PRM-VTM晶片組可提供全面的穩壓隔離式DC-DC轉換器功能。
分比式電源意味著在負載點有更多空間、功耗減半，而且穩壓功能的PRM可置放於距離負載點較遠，不會造成干擾的位置。
Phasor天線運行成功的重要因素是 Vicor的解決方案能將48V電源轉換成1.5V電源(新一代天線甚至更低)。Phasor所使用的ASIC為電源系統設計所帶來的主要挑戰是，必須在65安培(A)，甚至80A的電流下，實現這一變壓。
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。由於Phasor的天線模組高度僅有25公釐，根本沒有安裝散熱風扇的空間，因此Phasor需要的解決方案不僅能進行傳導散熱，同時還能盡可能不產生熱量。其次，傳統變壓方法可能涉及多個具有多個不同相位的硬開關轉換器，才能實現65A的電流，這可能會產生大量的電磁干擾。VTM是一種諧振轉換器，因此與硬開關轉換器相比，雜訊極低。同時，對於供電與效率而言，Vicor解決方案優於傳統DC-DC轉換器。
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採用，得到了很好的驗證。
分比式電源背後的元件：PRM和VTM
PRM和VTM都是實現FPA的組件。PRM穩壓器採用已獲專利的零電壓開關(ZVS)升降壓穩壓器控制架構進行高效的升降壓調整並提供軟體啟動功能。在VIN=VOUT時，可實現最高效率；最新PRM可實現99.3%的峰值效率。
VTM電流倍增器是一款採用專有零電流開關／零電壓開關(ZCS/ZVS)正弦振幅轉換器(SAC)的高效變壓模組。其工作基於具有高頻譜純度及共模對稱性的純正弦波形。這些特徵意味著它不僅不會產生典型脈衝寬度調變(PWM)類轉換所具有的諧波震盪，而且產生的雜訊也極低。該控制架構將工作頻率鎖定至功率級諧振頻率，不僅支援高達97%的效率，而且還可透過有效消除無功組件將輸出阻抗降至最低。這種極低的無電感輸出阻抗使其幾乎可以瞬間回應負載電流的階躍變化。
VTM能夠以3.5MHz的有效切換頻率回應負載變化，即使幅度小於1微秒都沒問題。VTM的高頻寬消除了對大型負載點電容的需求。即使沒有搭配任何外部輸出電容器，VTM的輸出在因應突然出現的功率激增時，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)足以消除任何暫態電壓過沖。
未來挑戰：電壓更低、電流更大
Vicor和Phasor所做的工作是一項重大突破，有望創造出一個產值達到數百萬美元的市場。該市場的發展將有兩個重要元素：一是讓衛星通訊產業從現有的地球同步衛星網路服務轉型為寬頻服務；二是讓近地軌道衛星系統作為通訊骨幹，對地面提供寬頻服務的新產業誕生。
對於這兩家公司而言，下一個挑戰是開發以更低電壓(1V)提供更大電流的技術。有了Vicor和Phasor的長期共生策略關係，不僅天線專家可讓模組化電源專家即時瞭解最新ASIC的電源需求，而且Vicor還可讓Phasor即時瞭解分比式電源的最新資訊。這兩家公司之間不斷發展的合作還在繼續。
(本文作者為Vicor台灣區總經理)
