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La arquitectura FPA ayuda a Phasor a revolucionar las comunicaciones de banda ancha por satélite

Suministra una corriente elevada a baja tensión para comunicaciones móviles

Quien haya intentado acceder a Internet mientras se desplaza en un vehículo ha sufrido la pérdida de la señal en los momentos más inoportunos. Los usuarios exigen una velocidad y un ancho de banda de la conexión que les permita no solo navegar y enviar mensajes, sino también descargar música y video o mantener una vídeoconferencia con varias personas, sin interrupciones y en cualquier modo de transporte. Phasor, empresa especializada en el desarrollo de antenas en fase de alto rendimiento, modulares y digitales, lidera el mercado de banda ancha móvil ya que proporciona una conectividad robusta y fiable por satélite en aplicaciones aeronáuticas, navales, móviles terrestres y de defensa. Las antenas direccionables electrónicamente de esta compañía se basan en los últimos avances de las tecnologías de formación dinámica de haz y arquitectura de sistemas. Las soluciones de banda ancha y satélite de Phasor para aplicaciones en movimiento permiten disponer de conexiones a Internet de banda ancha bidireccionales y de alta velocidad mediante antenas en fase con direccionamiento electrónico.

Tecnología de la antena

Una antena de Phasor está formada por varios módulos repetidos de pequeño tamaño colocados sobre dos placas de circuito impreso. La placa superior alberga las antenas planas en la parte delantera y el circuito ASIC (application-specific integrated circuit) de Phasor en la parte trasera. Una segunda placa proporciona alimentación, control y comunicaciones para el sistema. La tecnología de antena desarrollada más recientemente por Phasor elimina la necesidad de parabólicas y permite instalar antenas muy planas, estáticas y de estado sólido sobre los techos de los vehículos. Un dispositivo de bajo perfil, cuyo grosor es inferior a 25 mm, puede igualar las prestaciones de una parabólica con una anchura de 2,4 m o más. Dos características destacables de las antenas son su maleabilidad, por lo que se pueden adaptar a la mayoría de los vehículos, y su escalabilidad gracias una arquitectura modular que les permite cumplir cualquier requisito en el futuro.

Cuando Phasor trataba de desarrollar su exclusivo de comunicaciones móviles, comprendió que sus productos deberían incorporar componentes con una alta densidad de potencia y un bajo perfil, y que fueran capaces de suministrar una corriente extremadamente alta con una tensión muy baja. La solución que cumple todos estos requisitos es la arquitectura FPA (Factorized Power Architecture ™) de Vicor y ambas compañías han trabajado estrechamente durante los cuatro últimos años con el fin de que el desarrollo cubriera las necesidades de Phasor y las exigencias de sus clientes. Phasor descubrió que el sistema FPA de Vicor estaba por delante del mercado en cuanto a tamaño y densidad, así como por sus altas prestaciones en un formato modular y escalable.

La solución FPA

Los procesadores avanzados requieren corrientes más altas ya que sus tensiones de carga se sitúan por debajo de 1 V. La densidad y el bajo ruido en el punto de carga son factores cada vez más críticos para las prestaciones del procesador. El reto continuo para los diseñadores de sistemas consiste en adaptar estas tensiones más bajas a una respuesta más baja frente a transitorios y una mayor eficiencia del sistema de alimentación en una superficie cada vez más pequeña de la placa. La arquitectura FPA resuelve estos problemas, ya que asume las funciones de regulación y conversión del convertidor CC/CC y flas separa o “factoriza” en las dos partes que la constituyen. Esto permite optimizar al máximo cada función, un regulador de alta eficiencia junto con un dispositivo que suministra corriente con una alta densidad para varias cargas de baja tensión y alta corriente.

FPA está constituida por un módulo prerregulador (Pre- Regulator Module, PRM) y un módulo de transformación de tensión (Voltage Transformation Module, VTM)/multiplicador de corriente. Estos dos dispositivos trabajan juntos y cada uno de ellos cumple su función especializada de forma eficiente dentro de la función completa de conversión CC/CC. El PRM suministra una tensión de salida regulada o “bus factorizado” a partir de una fuente de entrada no regulada. Este bus alimenta uno o más VTM que transforman la tensión del bus factorizado al nivel que necesita su carga, además de proporcionar aislamiento. Por tanto, un juego de circuitos PRM VTM aporta toda la función de conversión CC/CC regulada y aislada. FPA permite disponer de más espacio en uno o varios puntos de carga, reduce a la mitad la disipación de potencia y la función de regulación puede ser remota.

Los componentes de FPA: el VTM y el PRM

El PRM y el VTM son los componentes que hacen posible la FPA. El PRM utiliza una arquitectura de control basada en un regulador

reductor-elevador de conmutación a tensión cero (Zero-Voltage Switching, ZVS) para proporcionar una regulación de elevación y reducción con una alta eficiencia y arranque suave; la máxima eficiencia se obtiene cuando VIN = VOUT y los PRM más recientes llegan hasta el 99,3%. El multiplicador de corriente del VTM es un módulo de transformación de tensión de alta eficiencia que utiliza un convertidor de amplitud sinusoidal (Sine Amplitude Converter, SAC™) propietario de conmutación a corriente cero / conmutación a tensión cero (Zero- Current Switching / Zero-Voltage Switching, ZCS / ZVS). Utiliza una forma de onda sinusoidal pura con una elevada pureza espectral y simetría en modo común. Estas características significan que no genera el contenido de armónicos típico en la conversión de tipo PWM y genera un mínimo nivel de ruido.

La arquitectura de control fija la frecuencia de trabajo a la frecuencia resonante del módulo de potencia, permitiendo así que la eficiencia llegue hasta el 97% así como minimizar la impedancia de salida mediante la cancelación efectiva de los componentes reactivos. Esta impedancia de salida muy baja y no inductiva le permite responder prácticamente al instante a grandes variaciones de la corriente de carga. El VTM responde a variaciones de la carga de cualquier magnitud en menos de un microsegundo con una frecuencia de conmutación efectiva de 3,5 MHz. El gran ancho de banda del VTM acaba con la necesidad de una elevada capacidad en el punto de carga. Incluso sin condensadores de salida externos, la salida de un VTM experimenta una limitada alteración de la tensión como respuesta a un repentino aumento de la potencia. Una mínima capacidad externa de derivación (en forma de condensadores cerámicos de baja ESR/ ESL) basta para eliminar cualquier transitorio de alta tensión.

Transformación

Un factor primordial para el buen funcionamiento de las antenas de Phasor es la capacidad de los sistemas de Vicor de transformar una alimentación de 48 V en una de 1,5 V (aún más baja en la próxima generación de antenas). El objetivo de Phasor de efectuar esta transformación a 65 A (o incluso 80 A) suponía un gran reto de diseño para alimentar sus ASIC. Phasor buscó soluciones alternativas pero descubrió varios inconvenientes. En primer lugar, algunas soluciones alternativas no eran capaces de asumir factores como la disipación de calor. Con una altura de 25 mm no queda espacio para un ventilador de refrigeración, así que Phasor necesitó una solución capaz de enfriar la conducción y de generar (y desperdiciar) el menor calor posible.

En segundo lugar, los métodos tradicionales para transformar la tensión podrían necesitar varios convertidores de conmutación dura con diferentes fases con el fin de alcanzar los 65 A y esto podría generar una cantidad elevada de EMI. Debido a que el VTM es un convertidor resonante, su nivel de ruido es muy bajo cuando se compara con un convertidor de conmutación dura. Además, la solución de Vicor superó a los convertidores CC/CC tradicionales en suministro de potencia y eficiencia. A todo ello hay que añadir que la solución FPA de Vicor había sido utilizada por varias empresas de las mayores compañías de procesadores durante los 10 últimos años y su validez había sido demostrada.

El futuro

El trabajo de Vicor y Phasor representa toda una revolución en un mercado que según las previsiones estará valorado en muchos millones de dólares. Existen dos grandes factores que influirán sobre la evolución de este mercado: la transición de las redes existentes de satélites geoestacionarios a otras formas de banda ancha y el lanzamiento de muchos miles de sistemas de satélites de órbita terrestre baja que proporcionarán conectividad remota a velocidades de banda ancha. Para las dos compañías, el próximo reto pasa por adoptar una tensión aún más baja (1 V) con una corriente más alta. La fructífera y estratégica relación a largo plazo entre Vicor y Phasor permite que los expertos en antenas tengan a su especialista en alimentación modular al corriente de los requisitos de alimentación de sus ASIC más recientes, y que Vicor mantenga a Phasor al corriente de lo más avanzado en potencia factorizada. La continua interacción entre nuestras dos compañías sigue su curso.



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