Pri načrtovanju energije na satelitu je treba sprejeti zapletene kompromise, saj je pri načrtovanju več spremenljivk, število polprevodniških možnosti pa je bistveno manjše kot pri komercialnih aplikacijah.
Primarno napajanje satelita je še posebej pomembno, saj je v primeru okvare možnosti za popravilo zelo malo ali nič. Z razvojem visokozmogljivih poljsko programirljivih matrik za programiranje v vesolju pa imajo sateliti zdaj bistveno večjo lokalno računalniško moč, kar povečuje splošne zahteve po električni energiji.
Pri razvoju satelitskega električnega napajalnega sistema (EPS) sta dva najpomembnejša kompromisa: splošna toplotna zasnova in zahteve glede sevanja v okviru misije.
Upravljanje toplote za učinkovitost sistema
Izbira komponent, izbira topologije in stikalna frekvenca so ključnega pomena pri določanju učinkovitosti stikalnega napajalnika (SMPS). Toplotna obremenitev sistema je neposredno povezana z učinkovitostjo napajalnikov in razpršitvijo izgub energije v celotnem satelitu.
Satelitski EPS sistem mora znižati napetosti iz dela sistema za proizvodnjo energije iz sončnih celic (običajno 100 V ±50 %) na del za shranjevanje energije iz baterij (običajno 28 V ±20 %) in nato ponovno na napajanje točke obremenitve (<5 V) za satelitske ploščice koristnega tovora, kot so računalniki na eni plošči, instrumentalne ali komunikacijske ploščice ter radarske ali komunikacijske ploščice. Na vsaki od teh stopenj pretvorbe bo doseganje najvišje možne učinkovitosti pomagalo zmanjšati izgube energije, saj imajo izgube energije v vesolju veliko večje posledice za celoten sistem in težo.
Ena od tehnik za izboljšanje učinkovitosti je sinhrono usmerjanje – rektifikacija, pri kateri zamenjava običajne usmerniške diode s tranzistorjem, ki ga nadzorujejo vrata, znatno zmanjša prevodne izgube na napajalni poti. Karakteristika diod, zlasti tistih, ki so primerne za prenos toka, ki ga zahtevajo novejše zasnove SMPS, pogosto povzroči večji padec napetosti med vklopljenim stanjem. Po drugi strani pa je sinhroni izravnalni tranzistor običajno tranzistor s poljskim učinkom z majhno upornostjo v stanju vklopa, kar privede do veliko manjših prevodnih izgub pri enakem nivoju toka.
Pri zasnovi satelitskega EPS zagotavljajo arhitekture, ki temeljijo na krmilnikih s pulzno širinsko modulacijo (PWM), največjo prilagodljivost za podporo različnih topologij napajanja z najvišjimi stopnjami učinkovitosti. Družina krmilnikov PWM TPS7H5001-SP, odpornih na sevanje, in družina krmilnikov PWM TPS7H5005-SEP, odpornih na sevanje, podpirata sinhrono usmerjanje, nastavljiv mrtvi čas in druge integrirane funkcije, ki razvijalcem omogočajo izdelavo manjših in učinkovitejših izoliranih ali neizoliranih napajalnikov.
Nastavljiva omejitev delovnega cikla 50 %, 75 % ali 100 % razvijalcem omogoča, da pri izvajanju topologij DC/DC pretvornikov uporabijo en sam krmilnik, vgrajeni sinhroni izhodi za usmerjanje pa omogočajo popolnoma sinhrone različice vsake topologije brez dodatnega zunanjega vezja, kar zagotavlja prednosti glede celotne velikosti sistema. Nastavljiv mrtvi čas pomaga optimizirati učinkovitost pretvornika moči, zlasti pri zasnovah, ki temeljijo na galij-nitridnih (GaN) polprevodnikih. Prilagodljiv čas mrtvega teka omogoča konfiguracijo notranjega zaznavanja toka krmilnika glede na specifične parazitske induktivnosti in kapacitivnosti pretvornika ter glede na substrate tiskanega vezja ali napajalnega modula.
Tabela 1 primerja različne naprave.
Zahteve glede sevanja za profil misije
Ker mora vsa letalska oprema razumeti orbito satelita in njegovo pričakovano izpostavljenost sevanju, satelitskih naprav ni mogoče izbrati, ne da bi pregledali zahteve glede sevanja na misiji.
Satelitska elektronika bo v orbiti izpostavljena trem vrstam sevanja:
- Skupni ionizirajoči odmerek (TID) je kumulativni odmerek izpostavljenosti sevanju v določenem časovnem obdobju. Dolgotrajna izpostavljenost sevanju lahko povzroči ujete naboje v oksidih polprevodniške naprave, kar povzroči parametrične spremembe v napravi in sčasoma okvaro delovanja.
- Učinki posameznih dogodkov (SEE) merijo učinke težkih ionov na preskušano napravo. Visokoenergijski udarci ionov lahko ustvarijo pare elektron-vrzel, ki povzročijo nedestruktivne dogodke, kot so prehodni dogodki z enim dogodkom (SET) ali funkcionalne prekinitve z enim dogodkom (SEFI). Ti ionski udarci lahko povzročijo tudi destruktivne učinke, kot so enojni dogodki z zaklepom (SEL), enojni dogodki z uničenjem (SEB) ali enojni dogodki z uničenjem vrat (SEGR).
- Doza poškodbe zaradi premikanja je druga vrsta izpostavljenosti kumulativni dozi, ki ocenjuje poškodbe kristalne strukture naprave zaradi večjega števila ionskih trkov. Medtem ko so protoni običajno glavni vzrok poškodb zaradi premikanja v vesolju, se pri preskusu poškodb zaradi premikanja nevtronov (NDD) uporabljajo nevtroni, ker imajo protoni TID učinke; uporaba nevtronov omogoča ločitev poškodb premikanja od TID učinkov.
Pomembno je preveriti, kako se bo komponenta obnašala, ko bo izpostavljena tem vrstam sevanja, zlasti komponente v napajalniku. Družina naprav TPS7H5001-SP vključuje poročila o sevanju TID do 100 krad(Si) in NDD do 1 × 1013 nevtronov/cm2, kar zagotavlja, da naprava uspešno opravi vse testne vektorje samodejne preskusne opreme po izpostavljenosti sevanju, ki jih proizvajalci naprav uporabljajo za zagotavljanje osnovnih omejitev iz podatkovne kartice. Pri testiranju SEE naprave TPS7H5001-SP je destruktivno testiranje SEE za odpornost SEL, SEB in SEGR potrjeno do linearnega prenosa energije (LET), ki je enak 75 MeV-cm2/mg, pri čemer je za SET in SEFI značilen LET, ki je enak 75 MeV-cm2/mg.
Družina naprav TPS7H5005-SEP vključuje poročila o sevanju TID do 50 krad(Si) in NDD do 1 × 1013 nevtronov/cm2 z destruktivnim testiranjem SEE za odpornost SEL, SEB in SEGR je potrjena do linearnega prenosa energije (LET), ki znaša 43 MeV-cm2/mg, za SET in SEFI pa je značilen LET, ki znaša 43 MeV-cm2/mg.
Zaključek
Podpora najnovejšim visokozmogljivim računalniškim rešitvam v današnjih manjših satelitih veliko pozornosti namenja izzivom toplotne zasnove sistema. Novi družini krmilnikov TPS7H5001-SP in TPS7H5005-SEP PWM razvijalcem omogočata, da dosežejo največjo energetsko učinkovitost in prilagodljivost pri načrtovanju. Za obravnavo vedno prisotnih zahtev glede sevanja imata ti dve družini naprav tudi podrobna poročila o sevanju za TID, SEE in NDD, ki poudarjajo, kako lahko podpirata katero koli vrsto orbite ali misije, pa naj gre za nizko zemeljsko orbito, srednjo zemeljsko orbito ali geostacionarno orbito.
Povzeto po:
https://bit.ly/3OYUdci
