Valg av kraftforsyningskomponenter til New Space

Satellitter i geostasjonær bane (GEO) står overfor et tøffere miljø på grunn av plasma, fangede (låste) elektroner, solpartikler og kosmisk stråling, med en høyere miljøeffekt sammenlignet med lav jordbane (LEO)-lav inklinasjon, LEO-polarbane og ISS- (den internasjonale romstasjonen) baner. Dette er hovedgrunnen til at kraftforsyninger som brukes i disse satellittene må overholde strenge MIL-standarder for design, produksjonsevne og kvalitet.

GEO vs LEO

Satellitter i GEO sirkler rundt jorden på omtrent 24 timer med en hastighet på rundt 3 km/sekund i en høyde på omtrent 35 786 km. Kun tre hovedsatellitter kan dekke hele kloden, ettersom disse satellittene er langt fra jorden.

Til sammenligning beveger satellitter i LEO seg rundt jorden med en hastighet på 7,8 km/s i en høyde på under 1000 km, men de kan være så lavt som 160 km over jorden. Dette er lavere sammenlignet med GEO, men fortsatt mer enn 10 ganger høyere enn et kommersielt flys høyde, på 14 km.

Stråling

Total ioniserende dose (TID) og enkelthendelseseffekter (SEE) er noen av de viktigste aspektene som må tas hensyn til av kraftforsyninger i rommet. Satellitter plassert i GEO-baner står overfor vanskeligere forhold på grunn av stråling sammenlignet med de i LEO-baner.

Ettersom GEO-bane som er lenger fra Jorden er mer utsatt for stråling, må komponentene som brukes i GEO-satellittstrømforsyninger være strålingsherdet (radhard) i utforming, noe som betyr at alle komponentene må overholde total ioniserende dose (TID) og SEE, opp til henholdsvis 100 Krad og 82 MeV cm2/mg.

Til sammenligning må satellittkomponenter for LEO være strålingstolerante (RT) med relativt lavere krav til TID-er og SEE. Imidlertid kan manglende skjerming mot disse tøffe forholdene føre til feil.

Konstellasjoner

Mens individuelle satellitter kan brukes til bildebehandling med høyere oppløsning, danner konstellasjoner av et stort antall like eller lignende typer av relativt mindre satellitter et nettverk rundt jorden for å gi uavbrutt dekning. Ved å arbeide i samspill gir disse konstellasjonene samtidige dekningsapplikasjoner som internettjenester og telekommunikasjon.

New Space

Fremveksten av New Space har muliggjort oppskyting av flere mindre satellitter med lettere nyttelast for kommersielle formål. Satellittbaserte internettjenester konkurrerer sakte, men i økende grad med tradisjonelt bredbånd, og gir mer pålitelig tilkobling for avsidesliggende områder, passasjerkjøretøyer og til og med for romfart.

Konfigurerbarhet for kundetilpasning

Konfigurerbarhet av kraftforsyninger er en viktig faktor for å møte en rekke oppdragsspesifikasjoner. Spenningsnivåer i den elektriske kraftbussen er generelt standardisert til visse verdier; men spenningen til solcellepanelet er ikke alltid standardisert. Dette krever et redesign av alle omformere i kraftundersystemene, avhengig av oppdragets art.

Dette redesignet øker kostnadene og utviklingstiden. Derfor er det iboende viktig å tilby DC/DC-omformere og lavspennings utfallregulatorer (LDO-er) på tvers av kraftarkitekturen med standardspesifikasjoner, samtidig som de har fleksibiliteten for tilpasning, avhengig av systemet og lastspenningene. Funksjoner som parallellisering, synkronisering og seriekobling er av største betydning for kraftforsyninger når man vurderer spesifikasjonene til forskjellige romoppdrag.

Størrelse, vekt, effekt og kostnad

På grunn av det begrensede volumet som er tilgjengelig og den ressurskrevende oppgaven med å sende objektene ut i rommet, mot tyngdekraften, er det viktig å ha mindre fotavtrykk, mindre størrelse (volum) og lavere vekt samtidig som man pakker mer effekt (kW) i det gitte volumet. Dette krever høyere effekttetthet for plassoptimalisering og høyere effektivitet (> 80%) for å få maksimal ytelse ut av ressursene som er tilgjengelige i kraftsystemet.

Regulering

Lastreguleringen må være optimal for å sikre at utgangen til DC/DC-omformeren mater neste trinn (LDO-er, direkte laster, i samsvar med reguleringskravene. I tillegg er toleransene for regulering mot temperaturvariasjoner nøkkelen til å gi robusthet og holdbarhet.

Satellitter i rommet bruker solenergi som hovedkilde for å drive lasten. Noen av de vanlig brukte busspenningene er 28 V, 50 V, 72 V, 100 V, og 120 V. En DC/DC-omformer konverterer disse spenningene til sekundærspenninger som 3,3 V, 5 V, 12 V, 15 V og 28 V. Sekundære busspenninger konverteres videre til anvendelige spenninger slik som 0,8 V, 1,2 V og 1,5 V ved hjelp av lastpunkter, slik som LDO-er, for å mate strøm til mikrokontrollere (MCUer) og feltprogrammerbare portmatriser (FPGAer) som driver romfartøyets laster.

Miljøeffekter i rommet

Rommiljøet består av effekter som solplasma, protoner, elektroner, galaktiske kosmiske stråler og ioner fra solutbrudd. Dette tøffe miljøet forårsaker miljøeffekter som forskyvningsskade (DD), TID og SEE som resulterer i effekter på enhetsnivå.

Vurdering av kraftomformere bør være i tråd med banene som satellitten opererer i, samt oppdragstid. For eksempel har GEO-baner strengere strålingskrav sammenlignet med LEO-baner.

Størrelse

Volumbehovet for LEO har en tendens til å være høyere på grunn av antallet mindre satellitter som sendes ut for å danne konstellasjonene. Satellittenes strømstyring møter strenge krav og må overholde ulike MIL-standarder for å tåle det tøffe miljøet. Kraftforsyningene som brukes i disse satellittene må også minimere størrelse, vekt, kraft og kostnader (SWaP-C).

Standardkomponenter

Microchip tilbyr romkvalifiserte DC/DC omformere som er egnet for disse applikasjonene med den standard strålingsherdede SA50-serien for ytre rom- eller tradisjonelle romsatellitter i GEO/MEO-baner og standard strålingstolerante LE50-serier for LEO/New Space-applikasjoner. Bruk av standardkomponenter i en ikke-hybrid struktur kan forhindre å utsette produkter og oppdragsplaner for risiko, og sikre pålitelige og robuste løsninger med raskere tid til markedet til ønsket pris.

Robusthet og skalerbarhet

I tillegg til robusthet og SWaP-C-krav, må kraftforsyningsløsninger også være skalerbare for å dekke et bredt spekter av kvalitetsnivåer innenfor samme produktserie. Dette inkluderer også å tilby en rekke pakkematerialer og kvalifiseringsalternativer for å møte oppdragsmålene.

For eksempel er Microchips LE50-28 isolerte DC/DC kraftomformere tilgjengelige i ni varianter med enkelt- og trippelutganger for optimal designkonfigurerbarhet. Kraftomformerne har et EMI-filter og gjør det mulig for ingeniører å designe for å skalere og tilpasse ved å velge én til tre utganger basert på spenningsområdet som trengs for sluttapplikasjonen. Denne serien gir fleksibilitet med opptil fire kraftomformere for å nå 200 W. Den tilbyr romkvalitets strålingstoleranse med 50 Krad TID og SEEs latch-up immunitet på 37 MeV·cm2/mg lineær energioverføring.

Effektive og robuste

LE50-28-serien er basert på forover-topologi som tilbyr høyere effektivitet og <1 % utgangsrippel. Den er plassert i en kompakt pakke, som måler 3,055 × 2,055 × 0,55 tommer med lav vekt, på bare 120 gram. Disse standard ikke-hybrid romkvalitets, strålingstolerante enhetene i overflatemontert pakke samsvarer med Mil-Std-461, Mil-Std-2Std-20 og Mil-Std-20 standarder.

I tillegg kan LE50-28 DC/DC-strømomformere, designet for 28-V-bussystemer, integreres med Microchips PolarFire FPGA-er, MCU-er og LX7720-RT motorstyringssensorer for en komplett elektrisk systemløsning. Dette gjør det mulig for kunder å bruke kostnadseffektive standard LE50-omformere for å tilpasse og konfigurere løsninger ved hjelp av parallell- og synkroniseringsfunksjoner for å danne mer intrikate strømsystemer som kan oppfylle kravene til LEO-strømstyring.

QML-versjoner

For New Spaces satellittkonstellasjoner med lavt til mellomhøyt volum med strenge krav til kostnader og tidsplaner, er sub-Qualified Manufacturers List (QML) versjoner i plastpakker de optimale løsningene som gir strålingstoleransen til QML (romkvalifiserte) komponenter for å muliggjøre lavere screeningskrav for lavere kostnader og kortere ledetider. LE50 tilleggskomponenter i denne kategorien er RTG4 FPGA plastversjoner og LEO-varianten PIC64 for høyytelses prosessering i romfartsanvendelser (PIC64-HPSC).