推進衛星電力系統的關鍵考量因素

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德州儀器作者:

有鑑於衛星電源設計具有更多變且半導體選項的數量明顯少於商業應用中的數量,衛星電源設計有一系列複雜的權衡取捨。衛星的主電源特別重要,因為如果發生故障,幾乎沒有維修的機會。隨著航太級高性能現場可程式編輯的閘門陣列不斷進步,衛星現在具備顯著更高的本機運算能力,因而增加整體功率需求。 

在開發任何衛星電力系統 (EPS) 時,兩個最重要的權衡取捨是整體熱設計和任務評測輻射要求。 

系統效率的熱管理 

在確定開關模式電源 (SMPS) 的效率時,元件選擇、拓樸選擇和切換頻率都極為重要。系統的熱負荷直接與電源效率和整個衛星的功耗損耗相關。 

衛星的 EPS 必須將系統的能量產生太陽能電池陣列部份的電壓 (通常為 100 V ±50%) 降低到電池儲存部份的電壓 (通常為 28 V ±20%),然後再次降低到衛星負載卡的潔淨負載點電源 (<5 V),例如單板機、儀器儀表或通訊卡,或者雷達或通訊卡。在每個轉換階段,盡可能提高效率將有助於減少功率損耗,因為太空功率損耗對整個系統和重量的影響相當多。 

提高效率的技術是同步整流,其中使用閘門控制的電晶體代替傳統功率二極體可顯著降低電源路徑的傳導損耗。二極體的正向特性,特別是適合處理較新 SMPS 設計目標電流的二極體,通常會在開啟狀態期間導致較大的壓降。另一方面,同步整流電晶體通常是具有低開啟電阻的場效應電晶體,因此在相同電流程度下的開啟損耗更低。 

在衛星的 EPS 設計中,採用脈衝寬度調變 (PWM) 控制器的架構提供最大的彈性,以最高效率程度支援一系列電源拓樸。抗輻射 TPS7H5001-SP PWM 控制器系列和耐輻射 TPS7H5005-SEP PWM 控制器系列均支援同步整流、可配置死區時間和其它整合功能,因此設計人員能夠創建更小型、更高效率的隔離式或非隔離式電源。50%、75% 或 100% 的可調整佔空比限制有助於設計人員在 DC/DC 轉換器拓樸的實施中使用單一控制器,整合的同步整流輸出支援每個拓樸的完全同步版本,完全不需要額外的外部電路,能夠展現整體系統規模效益。可配置死區時間有助於優化功率轉換器效率,特別是對於採用氮化鎵功率半導體的設計。可調整上升邊緣遮蔽時間可根據特定轉換器寄生電感和電容以及印刷電路板或電源模組基板的寄生電感和電容來配置控制器的內部電流偵測。 

表 1 比較不同的裝置。 

特點 

 

TPS7H5001-SP 

TPS7H5005-SEP 

TPS7H5002-SP 

TPS7H5006-SEP 

TPS7H5003-SP 

TPS7H5007-SEP 

TPS7H5004-SP 

TPS7H5008-SEP 

主要輸出配置 

 

雙 

單 

單 

雙 

同步整流輸出配置 

 

雙 

單 

單 

不適用 

支援佔空比限制 

 

100%、75%、50% 

100%、75% 

100%、75% 

50% 

輸出死區時間的可程式編輯性 

 

有 

有 

無,固定為 50 ns 

無 

上升邊緣遮蔽時間支援 

 

有 

有 

無,固定為 50 ns 

有 

目標 GaN FET / Si MOSFET 

 

GaN FET 或 Si MOSFET 

GaN FET 

Si MOSFET 

GaN FET 或 Si MOSFET 

拓樸結構 

降壓、升壓

有 

有 

有 

無 

反馳式

有 

有 

有 

無 

正向和主動鉗位 

有 

有 

有 

無 

推挽式 

有 

無 

無 

有 

半橋式和全橋式 

有 

無 

無 

有 

表 1:比較 TPS7H5001-SP 和 TPS7H5005-SEP PWM 控制器系列 

任務評測輻射要求 

因為所有飛行硬體都需要瞭解衛星的軌道及其預期的輻射暴露,所以不可能在不審查任務輻射要求的情況下選擇衛星裝置。 

衛星電子設備在軌道上將經歷三種類型的輻射效應: 

  • 總電離劑量 (TID) 是隨時間累積的輻射暴露劑量。長時間的輻射暴露會在半導體裝置的氧化物中產生捕獲電荷,因而導致裝置內的參數偏移並最終導致功能故障。 
  • 單粒子效應 (SEE) 測量受測裝置的重離子效應。高能量離子撞擊會產生電子孔對,因而導致非破壞性事件,例如單粒子瞬態 (SET) 或單粒子功能中斷 (SEFI)。這些離子撞擊也會造成破壞性影響,例如單粒子閂鎖 (SEL)、單粒子燒毀 (SEB) 或單粒子閘極破裂 (SEGR)。 
  • 位移損耗劑量是另一個類型的累積劑量暴露,用於評估多次離子撞擊對裝置晶體結構的損耗。雖然質子通常是太空位移損耗的主要原因,不過中子位移損耗 (NDD) 測試使用中子,因為質子有 TID 效應;使用中子可以將位移損耗與 TID 效應分開。 

驗證元件在暴露於這些類型的輻射下時的性能相當重要,特別是電源供應中的元件。TPS7H5001-SP 裝置系列包括高達 100 krad(Si) 的 TID 輻射報告和高達 1 × 1013中子/cm2 的 NDD,確保裝置通過裝置製造商用於測試的每個自動測試裝置測試向量後輻射暴露,藉以保證符合基礎產品規格表的限制。對於 TPS7H5001-SP SEE 測試,針對 SEL、SEB 和 SEGR 抗擾度的破壞性 SEE 測試已確認線性能量轉移 (LET) 等於 75 MeV-cm2/mg,SET 和 SEFI 的 LET 等於 75 MeV-cm2/mg 

TPS7H5005-SEP 裝置系列包括高達 50 krad(Si) 的 TID 輻射報告和高達 1 × 1013 中子/cm2  的 NDD,並透過 SEL、SEB 和 SEGR 抗擾度的破壞性 SEE 測試已確認線性能量轉移 (LET) 等於 43 MeV-cm2/mg,SET 和 SEFI 的 LET 等於 43 MeV-cm2/mg 

結論 

在現今較小的衛星中支援最新的高性能運算解決方案需要將許多注意力集中在系統的熱設計挑戰上。新的 TPS7H5001-SP 和 TPS7H5005-SEP PWM 控制器系列有助於設計人員達到最大的電源效率和設計彈性。為了因應始終存在的輻射要求,這兩個系列的裝置也提供針對 TID、SEE 和 NDD 的詳細輻射報告,其中強調這些裝置如何支援無論是低地球軌道、中地球軌道或地球靜止軌道,任何類型的軌道或任務 

其它資源 

下載 TPS7H5005-SEP 反馳式轉換器計算機 

 

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