如何更快地实施符合标准的高效解决方案

SpaceVPX 承担了很多工作来提供很多东西：有这么多可用的配置文件和配置，在生产高效、符合标准的电源解决方案时，魔鬼就在细节中。通过 SpaceUM ［实用模块］ 为有效载荷插槽提供和多路复用歧管电源轨尤其具有挑战性，因为可用的配置文件选择多种多样，并且在较小的 3U 外形中更加复杂。好消息是，新的高效太空级电源转换和控制技术使符合 SpaceVPX/UM 标准的电源和配电更易于管理，即使在小型 3U 外形中也是如此。

航天器代代相传，围绕专有系统和设计方法构建的架构。在满足单个程序的需求时，专有实现的自定义性质往往效率低下、成本高昂且容易产生风险。此外，自定义实现固有的狭隘焦点阻碍了未来系统的模块化、互操作性和可升级性。

认识到与永久定制系统和架构相关的局限性，许多跨行业联盟和标准组织聚集在一起开发和推广开放系统标准，如OpenVPX（VITA 65.x），SpaceVPX（VITA 78.0）和简化版本，如SpaceVPX-Lite（VITA 78.1）。为了进一步完善和鼓励标准采用，包括开放集团的传感器开放系统架构（SOSA）和未来机载能力环境（FACE）在内的小组以及空间电力联盟（SPC）现在正在合作建立可互操作的参考设计架构，并促进模块化和开放系统框架的使用。

通过增加基于标准的系统的采用和部署，通过重用经过验证的技术，计划将受益于缩短的时间表、降低成本和降低风险。此外，这些方法是向上扩展和互操作性的途径，它们也为商业解决方案提供商创新和提供相关和有竞争力的技术建立了动力。让我们以 SpaceVPX （VITA 78.0） 为例，作为太空界特别感兴趣的开放式模块化系统的上下文示例：开发人员面临的电源、配电和系统管理挑战是什么？此外，新的专用技术如何以更低的风险加快系统设计，同时增加更大的功能和能力？

SpaceVPX系统：鸟瞰图

从OpenVPX（VITA 65.0）标准开始，SpaceVPX方法利用冗余和单点连接交叉捆绑，为空间应用提供高度容错的高性能计算平台。虽然单点故障抗扰度对空间任务特别有吸引力，但其实施很快就会变得复杂且需要大量组件，特别是当系统的结构能够最大限度地提高标准定义的多种资源和能力的可用性时。从角度来看，图 1 是与空间电源联盟的卫星电源架构接口的通用 SpaceVPX 架构的高级图（这超出了本文的范围 – 在https://spacepower.org/ 中了解更多信息）。

［图1 |图为SpaceVPX系统高级框图。

SpaceVPX平台主要由六个不同的元素组成。这些元件是机箱、背板、两个独立电源、两个独立的系统控制器（机箱管理器）、SpaceUM ［实用程序模块］ 选择和分配集线器以及两个 16 有效载荷卡。SpaceVPX机箱可以在6U或更小的3U外形中实现，并具有足够的插槽以冗余方式容纳插件元素。

SpaceVPX系统电源单元（PSU）从卫星电源总线或其他特定架构定义的电压域接收外部电源。每个电源负责产生多达七个电压轨：+12V/VS1、+12V/AUX、+3.3V/VS2、+3.3V/AUX、+5V/VS3、-12V/AUX和VBAT。SpaceUM接收所有电压轨，在主电源或冗余电源之间进行选择，并根据系统配置和控制器要求将电源独立分配到每个有效载荷插槽。

虽然这看起来很简单，但能够执行这种“电源交叉点切换”的技术对于空间应用来说是有限的。与SpaceVPX电源分配架构类似，系统控制器通过SpaceUM实体在SpaceVPX机箱上获取所有管理和通信信号。

虽然配电责任本身就是一个挑战，但系统管理信号的点对点扇出和缓冲——包括基于I2C的智能平台管理接口（IPMI）、时钟、复位和选择控制——留给SpaceUM模块来管理和分配。这种方法看起来合乎逻辑，甚至整洁，但对SpaceUM提出了很高的要求，并且需要尺寸，重量和功率（SWaP）优化的组件才能成功。

随着有效载荷插槽卡配置的扩展，分配电源和控制信号带来了与实现兼容背板相关的复杂性和挑战。VITA 78.0 标准中提供的大量插槽配置文件使这种负担进一步复杂化。排列的数量使得供应商难以高效、自信地投资于开发标准的现成解决方案以支持 SpaceVPX 应用。这就是像 SOSA 这样的组织通过推广一组狭窄的参考架构来增加额外价值的地方，从而减少和简化实施符合 VPX 的系统所需的推荐排列和相关要求的数量。

太空VPX电源

作为SpaceVPX平台的命脉，电源的任务是转换来自外部电压源的输入功率，并有效地提供可能具有数百瓦功率的多个电压轨。虽然军事应用可以获得广泛的高效、高功率技术，但目前空间环境较为有限。图 2 描述了功能齐全、非 SOSA 对齐的 SpaceVPX 电源的高级框图。

［图2 |图为500 W SpaceVPX电源高级框图。

图 2 的主要功能模块包括 EMI ［电磁干扰］ 滤波和瞬态保护形式的输入电源调理，可为 SpaceVPX PSU 本地的电源转换和管理电子设备提供干净的输入。输入电源馈送多达六个隔离式 DC/DC 转换器以产生输出电压轨和一个本地 3.3V 电压域，为内部电子元件供电——特别是管理输出稳压器的微控制器，以及向 SpaceVPX 系统控制器报告状态和遥测数据。

考虑将所有这些功能打包到 3U 外形中。人们普遍认为，160 mm x 100 mm 3U 外形可提供大约 11，500 mm2 的可用面积。为输入电源调节、本地 3.3 V 调节和微控制器提供 1，500 mm2 的余量，留出 10，000 mm2 的可用空间来实现 SpaceVPX 系统的六个隔离电源。因此，要在 10，000 mm2 的区域内实现 500 W 的功率，平均功率密度为 50 mW/mm2。

对空间保证隔离式转换器的调查显示，其同类最佳功率密度约为40 mW/mm2，不足以实际为图2所述的所有六个电源轨供电。此外，基于空间的隔离转换器的平均效率为85%，这意味着500 W电源的热功耗为75 W，这是大量的热量耗散。因此，要创建一个功能齐全的SpaceVPX电源，需要进行一些权衡。传统上，这些权衡可能需要将功率要求降低到更易于管理的水平（如300 W或更低），减少电源轨的数量，或者使用多级转换以及隔离和非隔离电压转换/调节的组合。

认识到这些挑战，SOSA和其他行业工作组正在寻求完善SpaceVPX要求，简化其实施并促进更符合空间技术可用性的配置。图 3 描述了一个 300W SOSA 对齐的 SpaceVPX 电源，它使用了这种更新的设计方法。

［图3 |图为SOSA对齐的300 W SpaceVPX电源高级框图。

SOSA对齐的配置仅采用两个电源输出和较低的总功率，有助于实现更简单、SWaP且成本友好的实施，可以使用现有或近期的空间级组件构建。如图3所示，小尺寸、低功耗微控制器和隔离式氮化镓（GaN）转换器能够在2，400 mm2的占位面积内以》91%的效率提供75 W的功率。这些转换器的高效率和更小的尺寸使 SpaceVPX 电源解决方案更高效、更易于设计和冷却。为了实现可扩展性，每个转换器可以与第二个器件并联，使输出功率翻倍。随着具有更高效率和功率密度的新型3.3 V和12 V GaN转换器的问世，额外的设计可操作性将很快成为可能。

与传统的星载解决方案相比，GaN转换器拓扑结构的效率和功率密度的提高大大降低了与发热相关的挑战，并且足够小，可以适应3U SpaceVPX电源配置文件。总之，这些抗辐射的构建模块能够快速生产出实用的SOSA对齐的SpaceVPX电源解决方案。解决并满足电源转换要求后，下一个要解决的功能SpaceVPX模块是SpaceUM。

SpaceUM配电和系统管理扇出

让我们回到图1：SpaceUM接收电源轨和系统管理信号，然后负责选择/分配每个电源轨到所有有效载荷插槽，以及扇出和缓冲系统管理信号。原则上，这是一种合乎逻辑的方法;但实际上，鉴于空间工程师可用的电源开关电子设备和信号路由解决方案的可用性有限，这并不那么简单。图4描述了一个概念性的SpaceUM框图，具有12 V/VS1开关轨和系统管理信号扇出。该图引用了空间支持的组件，因此提供了通往空间载 VPX 应用程序的途径。

［图4 |图为SpaceVPX SpaceUM +12 V/VS1（20 A/240 W）电源和系统管理配电概念框图。

在SpaceUM图中有几个值得注意的项目需要识别。首先，A_VS1和B_VS1 PSU 输入以预复用配置组合在一起。与每个有效负载插槽的重复电源复用和电源切换 VS1 相比，预复用电源可提供改进的尺寸、重量和成本优势。

蓝色框描述了在架构中电源复用阶段相关的突出属性。蓝色框中的属性摘要包括面积估计、额定电流、有效通道阻抗以及智能电源开关控制器 （SPSC） 器件提供的其他重要特性和功能。（图 5。SPSC 是一款与当前级别无关的电子保险丝控制器，具有集成的故障检测、隔离和恢复 （FDIR） 功能。该器件支持浪涌电流限制和理想的二极管控制FET（单向电流），这对于主电源和冗余电源之间的多路复用至关重要。此外，通过SPSC的电源管理总线（PMBus）接口，本地主机控制器可以通过简单的双线I2C串行总线执行系统管理功能，包括配置、控制和收集内务管理数据 - 由图中的蓝色双向总线线表示。

虽然SPSC是图4蓝色和绿色框中的常见实体，但PowerFET的数量和尺寸因它们在架构中的位置和所需的额定电流而异。如前所述，电源预复用可在有效载荷切换阶段显著减小尺寸和面积。

值得注意的最后一个块是代表SpaceUM系统管理中心的紫色块，它以点对点的方式缓冲和扇出来自SpaceVPX系统控制器的信号到所有有效载荷插槽，并控制哪个PSU为每个有效载荷供电。流经SpaceUM的系统管理信号包括IPMI通信总线、时钟、复位和通用信号。

由于必须将全部信号单独扇出到每个有效载荷，因此所需的I/O数量可能会很快超过典型小型微控制器的可用资源。在这种情况下，使用FPGA［现场可编程门阵列］或多个分立缓冲/复用电路。在图 3 所示的概念图中，建议使用 Arm M0+ 微控制器或耐辐射 FPGA，因为它们具有低功耗、灵活性和小尺寸的特点。

最后要注意的是SpaceUM主机控制器和每个SPSC之间的PMBus接口。与采用PMBus的商业设备不同，SPSC提供冗余，无阻塞的I2C接口，在两个主机控制器之间提供冗余的PMBus通信，从而促进SpaceVPX标准中内置的容错目标。此外，由于I2C是多点串行总线，因此只需两个引脚即可轻松实现主机控制器和所有电源开关之间的整个接口。

下一站，VITA 78.0 。..

太空界对VITA 78.0 SpaceVPX标准非常感兴趣。用于高性能空间计算和传感器网络的紧凑型仪器具有出色的容错能力和可扩展的模块化的想法令人信服。随着新的专用太空级组件的出现，实施该标准变得更加容易，这些组件能够满足功能齐全的SpaceVPX平台的所有要求。

为了进一步减轻设计负担，像SOSA这样的行业组织在缩小VITA 78.0的范围和配置排列方面取得了长足的进步，从而为在短期内成功实施符合SpaceVPX的平台提供了路线图。随着 SpaceVPX 的日益普及，行业解决方案提供商正在开发技术，通过减少其占用空间、提高效率、扩展其功能以及专门为太空任务构建它们来直接满足 SpaceVPX 平台的需求。

审核编辑：郭婷