搭上低地球轨道卫星热潮，抗辐射电源模块需求升温

我一直对一些“软法”感兴趣，例如意想不到或无法预见的后果定律。根据许多实例显示，长期的因果关系——无论是有利或有害——都可能相互影响，甚至形成一种正反馈的自我强化循环。

近期我们目睹了低地球轨道(LEO，距地表约500至2,000km)和中地球轨道(MEO，距地表约2,000至36,000km)等卫星的大量部署，带来了许多令人欣喜的后续效应。在这些卫星的多数内部功能中，尤其是电源子系统(这是所有卫星都不可或缺的基础设施)，现已逐步转化为标准可供应的现成产品。

目前究竟有多少颗LEO和其他卫星正运行中？这是一个复杂的问题，但我们可以追踪诸如Orbiting Now活跃卫星轨道数据等资源，从而获得更准确的答案。据该网站估计，目前太空中约有8,000颗LEO卫星正执行着气象预测、数据传输，以及为偏远地区提供宽带网络等功能。

SpaceX Starlink宽带通信卫星或许最为人熟知，但亚马逊(Amazon)也已启动其竞争计划——Project Kuiper卫星。此外，还有寿命较短的LEO立方卫星(CubeSat)，采用模块化、标准化的10×10×10cm 1U基本单元设计。再者，目前在MEO上还运行着大约200颗卫星(图1)。

图1：由于卫星发射数量迅速增加，LEO、MEO以及地球同步轨道(GEO)卫星的数量变动频繁，图中提供了大致的数量(HEO指高度椭圆轨道)。(来源：Orbiting Now)

从商业角度来看，不仅是轨道中的卫星数量，每年的平均发射量如何显著增加也值得关注(图2)。

图2：比起卫星总数，或许更令人印象深刻的是卫星数量的年增长速度。(来源：U.N. Office for Outer Space Affairs、Our World in Data)

抗辐射设计的演进

随着卫星设计从定制化过渡到更频繁的生产，市场对于具备明确定义的功能模块需求也越来越高，因为这些模块可以支撑合理的量产规模，并附带文件与应用支持。虽然生产量还无法达到消费市场的规模，一旦达到年产数百套的“小型量产”模式，依然能带来实质的效益。

值得注意的是，从运算放大器、逻辑功能芯片到高端处理器等基本的抗辐射器件，已经存在多年并具有多种辐射耐受等级。尽管抗辐射经常是必要条件之一，但仅有器件本身，并不足以保证整体的抗辐射电路功能。

传统上，这类设计要求器件通过合格制造商列表(QML)V等级的制造与测试认证。一般来说，这些器件以陶瓷封装密封，能抵抗高辐射剂量，并防止塑料封装中释放化学物质对传感器阵列造成影响(即气体释放问题)。

业界供货商动态

现在，市场上出现了新的分类：“航天级QML P级器件”。这些器件同样具备抗辐射特性，但采用专用塑料封装，以满足最低气体释放的要求，并提供更小尺寸、更轻重量与更低成本等优势。

此外，MEO和LEO卫星所需的抗辐射能力，远远低于GEO或深空任务卫星，这些低轨卫星的抗辐射要求可通过“相对”较温和的测试与认证来实现。

供应商目前也在将基本器件扩展为完整的功能模块。以微芯科技(Microchip)为例，该公司最近推出LE50-28系列DC-DC转换器，提供28V输入、50W输出的九种型号，包括单输出和三输出版本(图3)。该系列产品针对LEO卫星提供50Krad的总电离辐射剂量(TID)耐受性和37MeV·cm²/mg线性能量转移的单事件效应(SEE)免疫能力。

图3：这款50W DC-DC转换器模块是标准现成产品，完全符合LEO卫星运作需求。(来源：Microchip Technology)

Vicor公司推出了全系列针对LEO和MEO的抗辐射电源转换器产品组合。该公司指出，光是采用抗辐射器件并不够，设计还需要能够支持干扰等不良事件。因此，成功的抗辐射设计还需要使用正确的器件，进行抽样测试、降额设计、冗余机制、额外屏蔽、性能监控以及具备断路和重启功能。此外，还需满足一系列文件要求。

通过提供标准化的电源功能模块，LEO和MEO卫星设计人员可以更专注于卫星的独特性设计，而不必耗费精力于设计、仿真、制造与认证这些模块。这些标准电源功能的可用性，改变了设计流程和时间表的动态。

目前，LEO和MEO卫星的设计正在从早期阶段转向成熟阶段。过去多年来，几乎每一颗卫星的设计几乎各具独特性，即使一系列卫星中的一颗，例如1960至1972年间的Corona系列间谍卫星，该系列共发射了145颗卫星，每一批的卫星设计都依据前一代累积的经验与技术进步，但也进行了重大改变。

然而，这种模式尽管在某些层面带来好处，也意味着每次的设计都存在新的未知数。“大数定律”在此并不完全适用，而发现“极端情况”的能力也相对减弱。相比之下，大量制造相同单元有助于提高制造效率，并且也更有利于投资工具和测试。

例如，铱星(Iridium)系统有66颗LEO卫星，其设计以每批10颗的方式进行生产，大幅提升了生产效率，并创造了学习曲线。然而，当时的电源模块并非现成可用产品，而是专为该方案定制设计的，因此每一批次仍有所调整。

展望未来

当然，深空任务由于其目标和限制的独特性，无法使用标准化的抗辐射电源子系统。例如，美国国家航空航天局(NASA)的欧罗巴快船(Europa Clipper)太空任务(前往木星的Europa卫星，于2024年10月14日发射，并预计于2030年中抵达)。该航天器配备了长达约30米的太阳能电池阵列，抵达木星时只能产生约600W的电力。相较于大多数的太空探测器，由于未配备放射性同位素热电发电机(RTG)，使得Europa Clipper的电源子系统的设计和实现独具一格。

由于Europa Clipper处于木星磁场捕获的辐射环境中，航天器的有效载荷与其他电子设备被封装在设计独特的厚壁保护罩内(如图4所示)。这些由钛和铝制成的保护罩提供了辐射屏障的作用，可以阻挡大部份高能原子粒子的影响，保护航天器的电子设备并减缓其退化速度。

图4：Europa Clipper的有效载荷和其他电子设备等特殊应用无法使用标准模块，因而采用设计独特的厚壁保护罩，以防止太阳系中高能辐射的破坏。(来源：NASA)

采用适当现成的抗辐射电源模块是否让您感到安心？这是否能大幅加速LEO和MEO卫星的设计与认证过程？特定类型的卫星需求能否足够标准化，使这些电源模块“满足物料列表”而成为首选？抑或是设计人员应该调整设计需求，以适应具体情况？

（原文刊登于EE Times美国版，参考链接：LEO Satellite Proliferation Leads to Rad-Hard Power Modules，由Franklin Zhao编译。）

本文为《电子工程专辑》2025年2月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。