Применение компонентов фирмы Modular Power Incorporated (MDI) в системах бортового электропитания космических аппаратов
ВведениеНесмотря на ряд неудач преследовавших российскую космическую отрасль, Российская Федерация занимает одно из ведущих мест в коммерческих запусках космических аппаратов (КА). Если ранее Россия в основном предоставляла носители, то в последние годы большее внимание уделяется разработке отечественных систем спутниковой связи и навигации, аппаратов космического зондирования и исследования дальнего космоса. В этой связи большой практический интерес взывает разработка собственных элементов полезной нагрузки космических аппаратов различного назначения. Понятно, что системы бортового электропитания является основным звеном полезной нагрузки. Можно констатировать, что именно с разработки надежных систем ботового электропитания начинается разработка бортового оборудования.
В последние годы при построении оборудования полезной нагрузки космических аппаратов используется технология негерметизированных отсеков. В этой связи при проектировании систем ботового электропитания космического оборудования разработчик сталкивается с рядом проблем, обусловленных спецификой условий эксплуатации в открытом космосе. Использование негерметизированных отсеков требует специального исполнения компонентов системы электропитания. Т. е., герметичность корпусов компонентов и использование «негазящих» материалов при изготовлении корпусов (это металлокерамические, металлостеклянные или металлические корпуса).
Следующая особенность условий открытого космоса – воздействие радиации. Поэтому компоненты должны характеризоваться высоким уровнем радиационной стойкости. Как правило, выделяется две основные группы факторов радиации воздействующих на оборудование. Это факторы собственно радиационного ионизирующего облучения и влияние так называемых тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ). Влияние ионизирующего облучения характеризуется накопленной дозой (TID – Total Ionizing Dose), которая измеряется в кило радах (kRad), влияние ТЗЧ определяют по уровню мощности потока соответствующих частиц, измеренной в MeV•cm2/mg. Накопленная доза определяет постепенную деградацию тех или иных параметров компонентов. Влияние ТЗЧ приводит к появлению так называемых однократных эффектов (SEE – Single Event Effect), которые включают в себя однократные сбои (SEU – Single Event Upset), или «защелкивание» (SEL – Single Event Latch up). При «защелкивание» наблюдается резкий рост тока потребления, что может привести к пробою под затворного диэлектрика в КМОП-структуре и выходу оборудования из строя. В зависимости от высоты и траектории орбиты, а также времени жизни космического аппарата предъявляются различные требования к стойкости по отношению к указанным факторам. Как правило, время жизни современного космического аппарата составляет от 5 до 15 лет. Считается, что на орбитах выше 400 км (выше обитаемых аппаратов), накапливается не менее 5-10 kRad в год. Соответственно, накопленная доза, не приводящая к существенной деградации параметров компонентов оборудования, должна быть не менее 100 kRad. Пороги воздействия SEU и SEL на компоненты должны быть обеспечены на уровне не менее 60 MeV•cm2/mg.
Условия эксплуатации предъявляют также жесткие требования по стойкости компонентов к механическим нагрузкам и к температурной стабильности параметров (температурный диапазон работы компонентов должен удовлетворять требованиям от -55o до +125o C). И, наконец, время жизни от 5 до 15 лет предопределяет требования к высокой надежности аппаратуры электропитания. Фактически оборудование электропитания должно обеспечить безотказную работу в течение всего периода эксплуатации. Как следствие среднее время наработки на отказ MTBF (Mean Time Before Failure) оборудования электропитания космического аппарата должно составлять величину порядка миллионов часов.
В настоящее время на рынке присутствует не так много крупных независимых производителей компонентов для систем ботового электропитания, удовлетворяющих всем указанным требованиям. В частности, одним из крупнейших в мире производителей высоконадежных компонентов для различных систем электропитания является фирма Modular Devices Incorporated (MDI). Компоненты MDI используются в авиационно-космической отрасли, в военной промышленности и оборудовании нефтедобычи. MDI предлагает также готовые элементы и системы электропитания: готовые и полу заказные модули электропитания, готовые системы из собственных компонентов, системы электропитания для приборов атомной промышленности, DC-DC преобразователи до 250 Ватт, драйверы управления двигателями, сборки до 10 кВатт.
Основные компоненты, производимые MDI для систем электропитания космических аппаратов, включают в себя:
• Гибридные DC-DC преобразователи
• Гибридные модули “BUS MASTER”
• Вторичные источники электропитания (Points of Load Convertors POL-convertors)
• Устройства, реализующие функции твердотельных реле
• Модули защиты
Следует особо подчеркнуть, что все эти приборы обладают высоким уровнем радиационной стойкости (TID до 200 kRad, для эффектов однократных сбоев порог SEE более 82 MeV•cm2/mg) и устойчивостью к механическим воздействиям (удар: до 50 g, ускорение: до 500 g, вибрация: до 30 g). Приборы характеризуются широким температурным диапазон работы и высокой надежностью. В частности MDI гарантирует для своих DC-DC конверторов в исполнении для космоса MTBF более двух с половиной миллионов часов. В пользу MDI говорит также то, что данный производитель принимал участие более чем в 20 космических программах только за последние 3 года. В частности, и в ряде российских космических программах: Глонасс-К, Гео-ИК2, Ресурс-П.
Можно констатировать, что обсуждение проблем использования компонентов MDI в системах бортового электропитания космических аппаратов имеет большое практическое значение. В настоящей работе мы обсудим основные проблемы, возникающие при разработке аппаратуры электропитания полезной нагрузки космических аппаратов, и попытаемся на примерах продемонстрировать разработчику пути построения соответствующего оборудования на базе компонентов MDI.
Система электропитания оборудования полезной нагрузки космических аппаратов
Следует отметить, что в последние годы существенно увеличивается сложность задач, решаемых на борту космического аппарата. Если ранее в России производились лишь связные спутники, полезная нагрузка которых представляла собой набор ретрансляторов, то в последние годы все более интенсивно развивается внедрение технологии обработки сигнала на борту. Это могут быть, например, аппараты систем зондирования или систем подвижной спутниковой связи. В качестве иллюстрации на рисунке 1 представлена структура полезной нагрузки, решающая задачи, возникающие при построении подобных систем.
На рисунке представлены основные системы и модули аппаратуры. Это, в первую очередь, схема первичного электропитания, на вход которой поступают сигналы шины питания КА. Схема первичного электропитания формирует сигналы напряжений питания для всей полезной нагрузки. Первичные модули электропитания должны обеспечить гальваническую развязку оборудования полезной нагрузки с шиной питания КА. Оборудование полезной нагрузки также включает в себя контроллер управления, взаимодействующий шиной управления аппарата, модуль цифровой обработки сигналов (ЦОС), радиочастотный модуль, генераторное оборудование. Можно заметить, что бортовое оборудование усложняется и, как следствие, требует все более широкого набора питающих напряжений. Как следствие, одним модулем первичного электропитания ограничиться, как правило, не удается. Поэтому используются вторичные источники электропитания, которые в свою очередь внутренней гальванической развязки не имеют. В основном вторичные источники используются для формирования относительно малых напряжений (выходные напряжения: от 1.0 до 3.3 В) с большими токами потребления, когда из-за недопустимо большого перегрева невозможно использовать линейные стабилизаторы.
Набор напряжений, необходимый для реализации оборудования полезной нагрузки определяется используемыми в оборудовании компонентами. Так, в частности, контроллеры управления могут быть реализованы на процессорах различного типа, а модули ЦОС на программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС). Основной вклад в энергопотребление вносит питания ядра (Core Power) ПЛИС и процессоров.
Для реализации первичных модулей MDI предлагает набор стандартных радиационно-стойких DC-DC преобразователей, информация о которых сведена в таблице 1. Накопленная доза указанных преобразователей превышает 100 kRad, а при диапазоне изменения входного напряжения 2:1 достигает 200 kRad. Влияние ТЗЧ (тяжелых заряженных частиц) также учитывались MDI при разработке конверторов. Эффекты однократных сбоев отсутствуют при LET > 80 MeV•cm2/mg. Преобразователи реализованы в герметичных корпусах с использованием гальванической развязка без оптронов. Частота преобразования 100, 200 или 250 кГц, что обеспечивает малые габаритные размеры и малые массы преобразователей. DC-DC преобразователи характеризуются высокой эффективностью (КПД до 83 %) и малым уровнем выходных пульсаций. Преобразователи имеют встроенные фильтры подавления помех и не требуют внешних компонентов. DC-DC преобразователи формируют напряжения от 2 до 28 В и от -5 до -15 В, имеют до четырех выходных напряжения и рассчитаны на все шины питания, применяемые в космических аппаратах (28, 50, 70 и 100 В).
Таблица 1. Радиационно-стойкие DC-DC преобразователи
Максимальная Выходная Мощность | 2.5 Вт | 5 Вт | 6.5 Вт | 20 Вт | 30 Вт | 40 Вт | 80 Вт |
28 VDC Proton Rad Hard 100K+ | 4690 | 5690 | 5107 53600 | 5680 53629 | 5193 | 5031 | |
50 VDC Proton Rad Hard 100K+ | 7690 | 7107 | 7680 | 7193 | 7031 | ||
70 VDC Input Proton Rad Hard 100K+ | 8690 | 8107 | 8680 | 8193 | |||
100 VDC Input Proton Rad Hard 100K+ | 9690 | 9107 | 9680 | 9193 |
Proton Rad Hard 100K+ - это товарный знак фирмы MDI, которым MDI обозначает все радиационно стойкие компоненты, предназначенные для использования в космосе.
Наиболее часто в отечественных аппаратах применяются шины 28 или 100 В. Из DC-DC преобразователей, рассчитанных на шину 28 В, наибольший интерес представляют преобразователи серий 53600 и 53629 . Эти преобразователи имеют три и четыре выходных напряжения. Основные характеристики преобразователей приведены в таблице 2. Использование планарных трансформаторов мощности и выпрямителей на арсенид–галлиевых диодах обеспечивают высокий КПД.
Аналогичный преобразоваT12, предназначенный для «сто вольтовой» шины имеет три выходных напряжения +5В (Main), +12В (+Aux Output) и -12В (-Aux Output).
Для использования в схемах первичного электропитания предназначены также следующие гибридные модули MDI:
- модули защиты (Inrush Limiter Hybrid Module); модули “BUS MASTER”; устройства, реализующие функции твердотельных реле.
Inrush Limiter модули обеспечивают защиту по входу оборудования полезной нагрузки. Модули включают в себя встроенную схема отключения при резком повышении потребляемого тока. Модули защиты (таблица 3) подразделяются на две группы: программируемые и модули с магнитной «защелкой». В качестве иллюстрации на рисунке 2 приведена структура программируемого модуля защиты 73635. Основная задача модуля защиты состоит в том, чтобы отключить вход конвертора при недопустимом возрастании тока потребления. Порог отключения по току может регулироваться внешним резистором (Optional External Resistor Trim). Это отключение очень важно с точки зрения предотвращения выхода из строя оборудования при возникновении «защелкивания» в КМОП-структурах элементов КА под воздействием ТЗЧ. Эффект состоит в том, что при «защелкивании» резко растет ток потребления, что может привести к перегреву и выходу оборудования из строя. Отключение позволяет восстановить при перезапуске нормальную работу систем полезной нагрузки КА.
Структура аналогичного модуля с «защелкой» приведена на рисунке 3. Наличие входов “Latch On” и “Latch Off” позволяют системе управления аппарата отключить шину питания, а затем включить питание для восстановления нормальной работы полезной нагрузки.
Таблица 2. Характеристики DC-DC конверторов 53600 и 53629
53600 (30W) | 53629 (40W) | |||||
MIN | TYP | MAX | MIN | TYP | MAX | |
Выходные напряжения, В | +4.9 | +5.0 | +5.1 | +4.9 | +5.0 | +5.1 |
+14.9 | +15.0 | +15.1 | -4.9 | -5.0 | -5.1 | |
-14.9 | -15.0 | -15.1 | +14.9 | +15.0 | +15.1 | |
-14.9 | -15.0 | -15.1 | ||||
Выходной ток, А | 0.15 | 3A | +0.3 | +3 | ||
-0.1 | -1 | |||||
±0.075 | ±0.750 | +0.075 | +0.75 | |||
-0.075 | -0.750 | |||||
+0.3 | +3 | |||||
КПД | 83% | 85% | 83% | 85% | ||
Line regulation, мВ | 5 | 15 | ±15 | ±65 | ||
±0.125 | ±0.200 | ±15 | ±85 | |||
Load regulation, мВ | 50 | 75 | ±75 | ±125 | ||
±500 | ±700 | ±175 | ±250 | |||
Пульсации, мВ | 25 | 50 | 25 | 50 | ||
75 | 125 | 35 | 70 |
Таблица 3. Модули защиты
28 VDC | 50 VDC | 70 VDC | 100 VDC | |
Программируемые | 53635 | 73635 | 83635 | 93635 |
С магнитной «защелкой» | 53646 | 73646 | 83646 | 93646 |
Модули “BUS MASTER” предназначены для систем резервирования электропитания. Стандартные радиационно-стойкие модули “BUS MASTER”, производимые MDI, сведены в таблице 4.
Таблица 4. Модули Bus Master
28 VDC | 50 VDC | 70 VDC | 100 VDC | |
Модули Bus Master | 53649 | 73649 | 83649 | 93649 |
Структура модуля “BUS MASTER” приведена на рисунке 4. Фактически “BUS MASTER” представляют собой сдвоенные модули защиты с возможностью выбора одной из двух шин электропитания (IN_A и IN_B). Основное отличие “BUS MASTER” от модулей защиты состоит в возможности оценивания тока потребления по шинам питания. Для этого в модулях предусмотрены выходы TLM_A (Current telemetry output signal – Bus A) и TLM_B (Current telemetry output signal – Bus B).
И, наконец, последняя группа радиационно-стойких модулей MDI, предназначенных для использования в системах первичного электропитания. Это устройства, реализующие функции твердотельных реле. Основные технические характеристики устройств, реализующие функции твердотельных реле приведены в таблице 5. Все указанные устройства имеют вход управления логического уровня соответствующий напряжению 5 В (5VDC Logic Input) и обеспечивают изоляцию не хуже 500 В.
Для реализации схем вторичного электропитания MDI выпускает ряд POL-регуляторов - Point of Load Regulators (POL-regulators). MDI выпускает POL-регуляторы трех основных типов:
• 5385 и 5387 с номинальным входным напряжением 3.3 В;
• 5085 и 5087 с номинальным входным напряжением 5 В;
• 5080 и 5082 с номинальным входным напряжением 12 В.
POL-регуляторы MDI обеспечивают высокий КПД (до 85 %) за счет использования схем синхронного выпрямления. Выходные напряжения конверторов от 1 до 3.3 В, выходная мощность до 20 Ватт.
Таблица 5. Основные технические характеристики устройств, реализующие функции твердотельных реле.
53647 (28 VDC) | 73647 (50 VDC) | 83647 (70 VDC) | 93647 ( 100 VDC) | |
Номинальное рабочее напряжение | 28 VDC | 50 VDC | 70 VDC | 100 VDC |
Максимальное рекомендуемое рабочее напряжение | 75 VDC | 75 VDC | 120 VDC | 120 VDC |
Максимально допустимое рабочее напряжение | 150 VDC | 150 VDC | 250 VDC | 250 VDC |
Пиковый ток | 15 A | 15 A | 7 A | 7 A |
Ток в установившемся режиме | 4 A | 4 A | 1.5 A | 1.5 A |
Сопротивление во включенном состоянии | 0.15 Oм | 0.15 Oм | 0.75 Oм | 0.75 Oм |
Ток утечки при максимально допустимом рабочем напряжении | 200 µA | 200 µA | 20 µA | 20 µA |
Все представленные модули MDI выпускаются со следующими градациями:
EU Engineering Units
S 100 K+®, +85°C space
R 100 K+®, +85°C military/aerospace
SE 100 K+®, +125°C space
RE 100 K+®, +125°C military/aerospace
Engineering Units – это так называемые инженерные юниты или инженерные образцы. По электрическим и массово-габаритным параметрам они полностью соответствуют стандартным изделиям, выполнены по той же технологии, отличаюсь лишь существенно уменьшенным объемом приемо-сдаточных испытаний. Инженерные образцы, как правило, используются для макетирования или для реализации опытных образцов изделий. Следующие градации предназначены для использования в штатных (летных) образцах и выполняются в исполнении «space» и «military/aerospace» с различными предельными рабочими температурами.
Примеры реализации основных узлов системы бортового электропитания на гибридных модулях MDI
На рисунке 5 представлена структурная схема системы электропитания, предназначенная для использования на борту КА с шиной 28 Вольт. Схема обеспечивает возможность резервирования за счет использования модуля “Bus Master” 53649. На вход 53649 поступают сигналы двух шин электропитания (28V_A и 28V_B). Выходные сигналы TLM_A и TLM_B могут использоваться для оценки тока потребления по шинам A и B соответственно. Входы ADJ_A и ADJ_B используются для управления порогами отключения схемы защиты. Сигналы с выхода 53649 поступают на входы устройства, реализующего функции твердотельного реле, построенного на модуле 53647. На вход управления указанного модуля поступает сигнал 5VDC Logic Input. Сигналы с выхода 53647 поступают на вход DC-DC преобразователя, реализованного на модуле 53600. На выходе DC-DC преобразователя формируются три напряжения: +5В (Main), +15В (+Aux Output) и -15В (-Aux Output).
Система вторичного электропитания включает в себя POL-регуляторы серий 5087 и 5085. Более мощный конвертор формирует напряжение питания ядра (Core Power), которое, как правило, характеризуется большим током потребления. Конверторы 5085 формируют напряжения питания периферии. В зависимости от используемых компонентов номинальные значения напряжений могут изменяться. В свою очередь POL-конверторы MDI обеспечивает формирования практически всех напряжений питания используемых в современных процессорах и элементах программируемой логики.
Аналогичная схема для шины 100 Вольт представлена на рисунке 6. Здесь рассматривается схема без резервирования. На вход модуля защиты 93635 поступает напряжение бортовой сети. Вход ADJ_A используется для управления порогом отключения схемы защиты. Сигнал с выхода 93635 поступает на входы устройства, реализующего функции твердотельного реле, построенного на модуле 93647. Далее источник первичного электропитания на базе преобразоваT12 и схема вторичного электропитания на базе POL-регуляторов серий 5087 и 5085.
В заключении хотелось бы обратить внимание на существенную особенность работы бортовой космической аппаратуры, которую необходимо учитывать при разработке оборудования электропитания полезной нагрузки КА. Особенность состоит в отсутствии естественной конвекции воздуха в открытом космосе, что в первую очередь сказывается на работе систем электропитания. Так как модули электропитания, как правило, несут наибольшую тепловую нагрузку.
Для отвода тепла необходимо предпринимать специальные меры. В первую очередь следует отметить, что для решения задачи отвода тепла MDI все свои модули производит в корпусах, предназначенных для закрепления «на шасси», т. е., на теплоотводящей металлической панели. В качестве иллюстрации на рисунке 7 представлен внешний вид POL-регуляторов серий 5087 и 5082, выполненных в указанных корпусах. Модули закрепляются на соответствующей теплоотводящей панели, а для подведения питающих напряжений используется навесной монтаж.
Заключение
В настоящей работе показано, что применение компонентов фирмы Modular Power Incorporated позволяет решить задачу построения систем бортового электропитания современных космических аппаратов. Предлагаются пути реализация систем электропитания на базе компонентов MDI.
Более подробную информацию о компонентах фирмы Modular Power Incorporated можно найти на сайте компании http:// и у единственного официального представителя MDI в России фирмы СпецМодульКомплект (http://). СпецМодульКомплект осуществляет как продажу, так и полную техническую поддержку разработки различных систем электропитания на базе модулей, производимых Modular Power Incorporated.
