lunedì, Novembre 28, 2022
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I requisiti di protezione dalle radiazioni e le prestazioni termiche nei sistemi di alimentazione per l’industria aerospaziale

I circuiti di alimentazione dei satelliti in orbita sono particolarmente importanti, poiché in caso di guasto ci sono scarse possibilità di riparazione. E all’aumentare della capacità di calcolo presente a bordo, anche le esigenze di alimentazione si sono fatte sempre più complesse.

Quando si sviluppa un sistema di alimentazione per impiego satellitare, due delle considerazioni più importanti riguardano il progetto termico generale e i requisiti di protezione dalle radiazioni in relazione al profilo della missione.

Gestione termica ed efficienza di sistema

La selezione dei componenti, della topologia e la frequenza di commutazione sono tutti elementi vitali per determinare l’efficienza di un alimentatore switching (SMPS). Il carico termico del sistema è direttamente correlato all’efficienza degli alimentatori e alla dissipazione delle perdite di potenza all’interno del satellite.

L’unità di alimentazione di un satellite deve gestire innanzitutto l’energia fornita dai pannelli fotovoltaici nonché il sistema di ricarica delle batterie di bordo; successivamente, partendo dalla tensione delle batterie, deve fornire la tensione (tipicamente 5V) che alimenta le apparecchiature di bordo, i computer, i sistemi di comunicazione e la strumentazione scientifica. In ciascuna fase di conversione, il raggiungimento della massima efficienza possibile aiuterà a ridurre le perdite di potenza e di conseguenza il peso e le dimensioni delle apparecchiature di bordo, che nello spazio hanno implicazioni molto più importanti rispetto alle applicazioni terrestri. Per migliorare l’efficienza si utilizza un raddrizzatore sincrono nel quale il tradizionale diodo viene sostituito da un FET di potenza che consente di ridurre significativamente la perdita in conduzione. Nel raddrizzatore sincrono l’elemento di potenza è tipicamente un FET con una bassa resistenza nello stato di conduzione che porta a perdite di conduzione decisamente inferiori con lo stesso livello di corrente.

Negli alimentatori satellitari le architetture basate su controller con modulazione della larghezza di impulso (PWM) offrono la massima flessibilità per supportare una gamma di topologie di alimentazione ai massimi livelli di efficienza.

Appartengono a questa famiglia i controller PWM di Texas Instrument TPS7H5001-SP e TPS7H5005-SEP. La famiglia di controller PWM supporta la rettifica sincrona, il dead-time programmabile e altre funzionalità integrate che consentono ai progettisti di creare alimentatori non isolati (buck) e isolati (flyback, forward, active clamp, push/pull, half/full bridge) più piccoli e più efficienti. Un livello massimo di duty-cycle regolabile del 50%, 75% o 100% consente ai progettisti di utilizzare un unico controller per implementare convertitori DC/DC sincronizzati per qualsiasi topologia senza la necessità di utilizzare circuiti aggiuntivi esterni, a tutto vantaggio di peso e dimensioni.

Il dead-time configurabile aiuta ad ottimizzare l’efficienza del convertitore di potenza, in particolare per i progetti basati su dispositivi al nitruro di gallio (GaN).

La famiglia di controller PWM TPS7H5001-SP e TPS7H5005-SEP è disponibile in package CFP e in package plastico più piccolo, TSSOP, per un’ampia varietà di tipi di missione.

Protezione da radiazioni: requisiti e profilo di missione

Gli effetti delle radiazioni sull’elettronica di bordo dei satelliti in orbita vengono classificati in tre differenti categorie:

  • La dose ionizzante totale (TID) è una dose di radiazioni accumulata nel tempo. L’esposizione prolungata alle radiazioni può creare cariche intrappolate negli ossidi del dispositivo a semiconduttore, che a sua volta porta ad un cambiamento dei parametri e alla fine a guasti funzionali.
  • Gli effetti di un evento singolo (SEE) misurano gli effetti degli ioni ad alta energia nel dispositivo. Questi possono generare coppie elettrone-lacuna che portano sia ad eventi non distruttivi come transitori a evento singolo (SET) o interruzioni funzionali a evento singolo (SEFI), sia effetti distruttivi come latch-up a evento singolo (SEL), burnout a evento singolo (SEB) o rottura del gate a evento singolo (SEGR).
  • Danno da spostamento (Displacement Damage Dose (DDD): è un altro effetto di esposizione alla dose accumulata che valuta il danno alla struttura cristallina del dispositivo da attacchi ionici multipli. Sebbene i protoni siano in genere la causa principale del danno da spostamento nello spazio, nel test del danno da spostamento si utilizzano i neutroni (NDD) perché i protoni hanno effetti TID; l’uso dei neutroni consente di distinguere il danno da spostamento dagli effetti TID.

È importante convalidare le prestazioni di un componente quando viene esposto a queste tipologie di radiazioni, in particolare i componenti dell’alimentatore.

La famiglia di dispositivi TPS7H5001-SP offre una protezione alle radiazioni TID fino a 100 krad(Si) e NDD fino a 1×1013 neutroni/cm2, una immunità SEL, SEB e SEGR confermata per un trasferimento di energia lineare (LET) pari a 75 MeV-cm2/mg, con SET e SEFI caratterizzati da un LET pari a 75 MeV -cm2/mg.

La famiglia di dispositivi TPS7H5005-SEP include rapporti di radiazione TID fino a 50 krad(Si) e NDD fino a 1 × 1013 neutroni/cm 2 con test SEE distruttivo per l’immunità SEL, SEB e SEGR confermata per un trasferimento di energia lineare (LET) pari a 43 MeV-cm 2 /mg, con SET e SEFI caratterizzati da un LET pari a 43 MeV-cm 2 /mg.

I controller PWM non sono gli unici dispositivi per sistemi di alimentazioni destinati all’impiego spaziale di Texas Instruments.

Per quanto riguarda i convertitori buck, i più recenti prodotti dell’azienda sono i Buck Converter TPS7H4001-SP e TPS50601A-SP.

Il TPS7H4001-SP è un convertitore buck singolo 7V 18A resistente alle radiazioni con frequenza di clock compresa tra 100 kHz e 1 MHz, completo di MOSFET high-side e low-side a bassa resistenza. Il controllo in modalità corrente consente di ottenere un’elevata efficienza con un basso numero di componenti esterni.

Il pin SYNC consente di configurare quattro dispositivi in parallelo senza clock esterno.

Le prestazioni alle radiazioni sono simili a quelle del controller PWM TPS7H5005-SEP.

Il TPS50601A-SP è un convertitore step-down sincrono da 7V 6A ottimizzato per piccoli progetti ad elevata efficienza energetica; anche in questo caso i due MOSFET high-side e low-side sono integrati nel chip che utilizza un package flatpack in ceramica a 20 pin termicamente migliorato. Il TPS50601A-SP può essere configurato in modalità master-slave per fornire fino a 12 A in uscita.

Il portafoglio di Texas Instruments comprende anche numerosi dispositivi con package plastico per sistemi di alimentazione in orbita, in particolare per i satelliti LEO. L’utilizzo di package plastici consente di ridurre i costi e contenere le dimensioni e il peso.

Tra i prodotti disponibili, segnaliamo il converter step-down da 3,5÷32V 6A TPS7H4010-SEP,  lo switch da 1,6÷5,5V 1,25A TPS7H2221-SEP, l’LDO da 1A TPS73801-SEP e il supervisore di tensione da 40V TL7700-SEP.

Conclusione

L’evoluzione dei payload nei nuovi satelliti e l’espansione delle costellazioni, specie di quelle in orbita bassa, rende sempre più importante una attenta progettazione termica dei circuiti di alimentazione. Le nuove famiglie di controller PWM TPS7H5001-SP e TPS7H5005-SEP e di tutti gli altri dispositivi space-grade, radiation-tolerant, soddisfano tutte le esigenze dei satelliti LEO così come di quelle dei satelliti in orbita terrestre media e geostazionaria.



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