作者：Ken Coffman，高級現場應用工程師

衛星設計人員已經跨過了一道門檻。 我們不再僅僅是將“多一點 DSP”送入軌道，而是部署與地面邊緣服務器比肩的星載計算平臺，能以數百 TOPS 的算力運行 AI 推理、自我調整波束成形、動態頻譜管理，以及實时分析。 到了這個級別，任務能力的硬性天花板已不是處理器數據手册上的參數，而是電源架構能否在一個狹小、散熱困難且暴露於輻射環境中的外殼裏，以微秒級瞬態回應效能，輸出數百安培的 sub-volt 電源軌。

傳統的太空電源拓撲並非為這種運行模式而設計。 它們假設電流密度適中、負載階躍緩慢且運行模式靜態，而 AI 工作負載會同時打破這三項假設。 結果顯而易見：在傳統的“母線 + POL”方案下，對於面向AI級處理的新太空任務，决定其成敗的往往已不是計算能力，而是供電能力。

在軌計算的全新現實

現代低軌（LEO）有效載荷，被要求在軌完成推理、壓縮、路由和自主控制等任務——這些功能在過去嚴格屬於地面站範疇。 要高效實現這些，設計人員不得不選用超深亞微米 FPGA、自我調整計算加速平臺和定制 ASIC，而這類器件的核心電壓持續走低，電流需求卻不斷攀升。

Spacechips AI1 處理器（AI1 Transponder）為任何電源架構都提供了一個切實的壓力測試樣本。 它是一款耐輻射、支持 AI 的處理器卡，在軌 AI 輸送量高達 133  TOPS，信號處理和機器學習任務直接在軌完成，無需依賴地面站。 其主 AI 電源軌工作電壓約為 0.8V，時域電流在 130A 到 150A 之間，恰好落在傳統“母線 + POL”方案效率低且散熱難的區間。

這類負載並非“溫和”類型。 AI 加速器在空閒、推理和突發模式之間頻繁切換，產生快速且不連續的電流階躍。 在這種環境下，電壓下降、振鈴或雜訊會直接導致時鐘速率降低、裕度縮減和算力浪費。 由於局部去耦受限於體積、質量和 MLCC 可靠性等因素，上游供電網路必須承擔瞬態回應的主要重任。

系統與環境的雙重限制

在新太空領域，常規的設計參數環環相扣、彼此掣肘。 為了控制發射成本，平臺不斷縮小； 衛星尺寸减小意味著可收集的電力變少，而工作負載卻在上升。 供電連結中每浪費一瓦，有效載荷便少一瓦可用——運營商越來越不願意讓出這份裕量。

熱限制對供電網路（PDN）提出了高電流密度的要求。 平面走線、過孔和線束中的 I²R 損耗隨電流平方增長：在幾十安培下尚且可行的銅導體，到了數百安培就會變成顯著的發熱源。 太空中沒有強制風冷可言，所有廢熱只能通過結構傳導並輻射出去。 因此，PDN 的損耗最終體現為機械和質量方面的代價，即需要更大的散熱面板、更重的導熱路徑，以及更複雜的封裝。

輻射進一步收緊了限制條件。 總電離劑量（TID）引起參數偏移，侵蝕著本就緊張的 sub-volt 電壓裕量； 單粒子效應（SEE）則可能在系統壓力最大的時刻，與負載瞬態相互疊加，引發最惡劣的工况。電源組件必須能够耐受低軌（LEO）和中軌（MEO）任務中典型的輻射暴露，同時又不能引入全耐輻射加固定制方案所帶來的成本、質量和進度負擔。

傳統的太空電源架構在大電流下為何效率低下

大多數傳統設計遵循一種經典模式：隔離式 DC-DC 轉換器先將航天器母線電壓降低，再用低壓配電平面向外扇出，最後由本地 PWM 負載點（POL）穩壓器在負載附近生成最終的覈心電源軌。 在中等電流和電壓條件下，這套方案可行。 但到了 0.8V、100A 以上，就會自縛手脚。

• 配電損耗與電流的平方成正比。 將數百安培電流推過即便是精心優化的平面，也會產生不容忽視的 I²R 發熱和數十毫伏的壓降——而設計人員手中根本沒有那麼多裕量可以揮霍。
• 硬開關 POL 會注入豐富的諧波成分，需要更强大的濾波措施——即新增電感、電容和銅線用量，這反過來又會新增阻抗並延長電流環路。
• 傳統的控制環路難以應對深度且快速的負載階躍。 設計人員被迫使用大容量、低 ESL 的電容組來緩解問題，但這樣在犧牲體積、重量和功耗的同時，仍無法達到理想的瞬態表現。

到了某個節點，試圖修補這套架構已無法奏效。 其結構本身就不適配當前的負載壓力。

電流倍增與分比式電源架構

Spacechips 决定徹底替換舊拓撲，而非嘗試對其進行優化。 他們與 Vicor 合作，採用 Vicor 分比式電源架構（FPA™） 及專為低軌（LEO）和中軌（MEO）任務設計的耐輻射模組，實現了電流倍增方案，如圖 1 所示。

電流倍增技術將 DC-DC 轉換功能折開為獨立電源模組。Vicor 耐輻射拓撲將電源轉換任務劃分為三個環節：電壓變換與隔離（BCM）、負載電壓調節（PRM）和供電（VTM）。 該配寘有效降低了“最後一釐米”的銅損，同時賦予佈局工程師更大的靈活性，可將模組安置於空間允許的位置。

Vicor FPA 將電源轉換任務特意折開為兩個截然不同的功能：

• PRM™ 穩壓器從隔離式 BCM® 母線轉換器生成精准受控的中間電壓。 在 AI1 方案中，耐輻射 BCM 將 100V 電壓以 3:1 的變比降至 33V，並以高效率輸出數百瓦功率； 隨後，PRM 將該電源軌調節至適配負載的最優中間母線。
• VTM™ 電流倍增器在物理上緊鄰處理器放置，將中間電源軌直接轉換為 0.8V 的 AI 覈心電源軌，同時實現 32 倍電流倍增。

在給定功率水准下，提高配電電壓可降低電流，進而將 I²R 損耗降至電壓比率的平方分之一。 舉個簡單例子，在相同導體電阻條件下，採用 100V 母線替代 12V 母線傳輸同等功率，電流可降至原來的約 8.3 分之一，理想銅損可降至原來的約 69 分之一。

在實際工程中，航天器電源系統普遍採用 28V 母線； 而高功率的新太空設計正越來越多地轉向 100V 等更高的母線電壓，以進一步降低配電損耗。 即便僅從 12V 提升至 28V，配電電流亦可降至原來的二分之一以下，I²R 損耗降至原來的約四分之一至五分之一； 而從 28V 提升至 100V，在相同功率下，電流進一步降至原來的約 3.6 分之一，阻性損耗降至原來的約 13 分之一。 這，就是“發熱瀕臨極限的背板”與“熱設計遊刃有餘的方案”之間的區別。

100V → 33V → 0.8V 示例

為使上述架構優勢更具實感，不妨以與 AI1 電源路徑一致的代表性案例加以說明：一條航天器 100V 母線為兩路 AI 電源軌供電，一路 0.8V，另一路 3.3V，每路由一個 150W 的 VTM 供電，總計提供 300W 在軌  AI 算力（見圖 2）。 由於電壓變換採用極為緊湊的尺寸實現，並緊鄰負載放置，設計人員在組件佈局和參數選擇方面獲得了更大的靈活性。

0.8V 下 150W VTM 可提供約 187A 電流； 兩路此類電源軌即代表在裸片附近提供 300W 的 AI 級功率——此數值尚未計入裕量和轉換損耗。 如此量級的電流無法經由背板長距離傳輸； 該架構的覈心要義，是將數百安培的電流限定在處理器附近一個經過精心設計的極短區域內。

在傳統的“母線+ POL”方案中，以採用 12V 中間電源軌驅動兩路本地多相穩壓器為例，同等 300W 的 AI 算力意味著 12V 平面上約有 25A 電流。 在密集的射頻與數位混合板卡上，考慮到實際的銅線和過孔電阻，有效配電電阻達到 10mΩ 並非樂觀估計。 在 25A 電流下，該路徑上的 I²R 損耗約為 6.25W，壓降 0.25V，占比超過 12V 電源軌的 2%——而此時電流尚未抵達 POL。 若未來擴充至 400W 甚至更高，損耗與壓降將呈平方級攀升。

AI1 的架構則呈現出截然不同的圖景。 耐輻射 BCM 從 100V 母線取電，以 3:1 的變比生成 33V 中間電壓，可提供高達 400W 的功率，裕量充足，足以驅動兩路各 150W 的 PRM:VTM 電源軌。 每個 PRM 獨立穩壓各自的 33V 級中間節點； 每個 VTM 再將電壓轉換為相應的負載點電壓。 當總功率為 300W 時，33V 配電母線僅承載約 9A 電流，而非 25A。在相同的 10mΩ 有效路徑電阻下，I²R 損耗降至約 0.8W，DC 壓降約為 0.09V——不足中間電壓的 0.3%。 配電損耗降至原來的約五分之一至八分之一，電壓裕量亦獲得了切實可觀的恢復——而這一切，僅僅是將繁重的功率傳輸任務轉移至更高電壓、更低電流的域，便已實現。

在下游，每個 VTM 將 33V 降壓至 0.8V，同時分別實現 32 倍或 8 倍的電流倍增，因此大電流回路（32 倍電源軌中約為 187A）被縮小為僅數釐米長的銅線、過孔區域和專為此密度設計的去耦結構。

最終結果表明：同樣的 300W AI 工作負載，在傳統架構中使發熱嚴重且穩壓不佳的 12V 平面不堪重負； 而在 FPA 實現方案中，則由一條相對“凉爽”的 33V 中間母線承載，並為兩路當地語系化電流倍增級供電。 AI1 處理器選擇了後者，並由此同時恢復了熱裕量和電壓裕量——而這些裕量在傳統方案下，原本會成為制約在軌算力的瓶頸。

面向 AI 級負載的電力優勢

將電流倍增級放置在距 FPGA 或 ACAP 僅數釐米處，大電流路徑即被大幅收短。 中間的銅線短而寬，裸片端的有效輸出阻抗較任何等效的 12V 配電+ POL 方案均顯著降低。 內部備援的動力系統用於抑制單粒子效應。 為抑制單粒子效應，內部動力系統採用備援設計，集成並自動完成電源軌的監測與控制，設計工程師無需在外部電路中實現該邏輯，如圖 3 所示。

FPA 模組採用諧振軟切換轉換技術，與硬切換方案相比，進一步降低了傳導與輻射 EMI。 諧波含量更低，意味著濾波器件更輕、環路更短，且在適用於新太空平臺時，對 DO-160 類傳導發射限制可獲得更優的設計裕量。

關鍵在於，該變換級並不依賴緩慢的全域反饋環路來管理瞬態行為。 其固定比率工作機制與極低的內阻抗，使其能够在微秒級而非數十或數百微秒內響應突變的電流階躍，即便在最為嚴苛的 AI 突發負載條件下，也能將 0.8V 電源軌維持在狹窄的容差範圍內。

此外，還具備一項次級優勢：電容倍增。 電流倍增變壓器可將源端觀測到的負載側電容近似按匝數比的平方倍進行放大。 在實踐中，這意味著在 AI 電源軌處精心佈置一組規模適中的 MLCC，其在上游 PRM 看來，相當於一個容量大得多的儲能池，從而使設計人員能够在滿足瞬態回應要求的同時，無需在板卡上佈滿易碎且存在機械風險的大尺寸陶瓷元件。

架構層面的耐輻射能力

電流倍增技術也改變了設計人員在供電網路中應對輻射問題的方式。 面向新太空應用的耐輻射 Vicor FPA 模組，已通過低軌（LEO）和中軌（MEO）任務典型輻射水准（數十 krad 總電離劑量）的認證，並採用備援動力系統和抗單粒子效應控制機制，以確保在單粒子應力下維持正常運行。 然而，但更值得關注的是架構層面。

通過將嚴格穩壓功能保持在較高且容差更大的中間電壓，並借助負載附近的固定比率變壓器處理大電流，該設計有效减少了因輻射引起參數偏移而直接危及 0.8V 裕量的節點數量。 穩壓級工作在數十伏的電壓範圍內，具備充足的餘量； 其漂移和單粒子效應行為可通過常規降額設計與系統級緩解措施加以管控。 變換級因不包含複雜的快速迴響環路，本身對控制環路擾動的靈敏度較低。

AI1 實現方案在此基礎上增設了一層保障：耐輻射模組集成了雙動力系統，允許從任意一側以全功率驅動負載，並具備自主故障檢測與切換功能。 面對一個龐大而分散的供電網路，Spacechips 無需對每個分立組件逐一進行加固，而是能够將輻射視為一個系統級問題，借助特徵明確的模組化構建模組加以應對。

對於許多低軌（LEO）和中軌（MEO）任務而言，這種耐輻射模組化方案既規避了全耐輻射部件所帶來的成本、質量和採購複雜性，同時仍能滿足任務可靠性目標。 它是一條介於消費級 COTS 與定制化耐輻射 ASIC 之間的務實折中路徑。

提升在軌 AI 的上限

隨著衛星在軌自主能力不斷提升，AI 效用的實際上限越來越取決於電源架構能否在輻射環境中、在嚴苛的尺寸、重量和功耗預算內，在最惡劣瞬態條件下，提供清潔、嚴格穩壓且大電流的電源軌。 Spacechips 與 Vicor 通過摒弃傳統低壓配電架構，轉而採用基於分比式電源架構的電流倍增方案，有效地提升了這一上限。 AI1 處理器不只是一塊普通的射頻板，它表明，在新太空領域，瓶頸已從計算能力轉向經過優化的供電能力。

如果在設計供電網路時將處理器視為稀缺資源，則勢必會浪費部分計算能力。 反之，如果在設計處理器板時，將功率密度、電流分佈和輻射行為視為稀缺資源，則可在小型低軌（LEO）衛星上實現服務器級 AI 算力，同時仍能滿足熱管理與可靠性預算的限制。 這便是這一代任務正在倒逼的架構變革，而電流倍增技術正是實現該目標的一種方式。