Hoe Current-Sense-versterkers de gezondheid van satellieten bewaken

Hoe weten we hoe een satelliet in de ruimte het doet vanaf hier op aarde? Ontdek hoe stroomgevoelige versterkers of CSA's een cruciaal onderdeel zijn van verschillende satellietmonitoringsystemen.

Verschillende commerciële satellietbedrijven hebben met grote impact de ruimtevaartsector betreden en hebben een revolutie teweeggebracht in deze ooit grotendeels door de overheid gefinancierde activiteit. Deze bedrijven ontwikkelen, samen met vele anderen, telecommunicatie-mega-constellaties, robuuste radarnetwerken en verbeterde optische beeldvormingsplatforms voor een lage baan om de aarde, een gemiddelde baan om de aarde en een geostationaire equatoriale baan.

Deze missies hebben ertoe geleid dat veel ontwerpers zijn overgestapt van het baseren van satellietontwerpen op eenvoudige discrete componenten zoals operationele versterkers (op-amps) of transistors ten gunste van meer sterk geïntegreerde microschakelingen, wat tijd bespaart bij ontwerpinspanningen, montage en testen.

In dit artikel zullen we bespreken hoe CSA's de gezondheid en functionaliteit van satellietstroomdistributiesystemen en verschillende andere elektrische componenten kunnen bewaken door functies te implementeren zoals power-rail-stroombewaking, puntdetectie en motoraandrijving. Stroomgevoelige versterkers (CSA's) passen goed in een breed scala aan toepassingen in de elektronische systemen van een satelliet.

Basisprincipes van CSA's

Een CSA maakt ontwerpen voor zowel hoge als lage detectie mogelijk; u kunt het systeem configureren met een shuntweerstand voor of na de belasting (zoals weergegeven in Figuur 1 ) om te controleren op afwijkingen in de verwachte geleverde belastingsstroom, zoals een overstroomgebeurtenis.

Figuur 1. High- en low-side implementaties

Tabel 1 vat de afwegingen van high- en low-side implementaties samen. Beide configuraties hebben hun voor- en nadelen, afhankelijk van wat de systeemontwerper met de CSA wil bereiken.

Tabel 1. High-side vs. low-side detectie

Spoorbewaking

Een van de meest voorkomende gebruiksscenario's voor CSA's in een satelliet is het bewaken van de ingangsstroom van de hoofdstroomrail om transiënten van één gebeurtenis te detecteren. Het vermogen van een CSA om de toepassing van spanningen die groter zijn dan de voedingsspanning op de ingangspennen aan te kunnen, biedt meer ontwerpflexibiliteit dan traditionele op-amps of andere discrete benaderingen, waarbij de common-mode ingangspenspanning wordt begrensd door de voedingsspanningen van de op- versterker Wanneer u een CSA gebruikt om de hoofdstroomrail te bewaken, kunt u een shuntweerstand aan de hoge of lage kant van de belasting plaatsen. De hoge kant is meestal de voorkeursconfiguratie bij het bewaken van de hoofdstroomrail, zodat u de CSA kunt gebruiken om belastingkortingen te detecteren voor systeembescherming en om volledige systeemstoringen te voorkomen.

Detectie van laadpunt

Het is mogelijk om een ​​CSA te gebruiken om point-of-load-detectie uit te voeren voor overstroombeveiliging, systeemoptimalisatie of closed-loop feedback, allemaal handige manieren om gegevens te verzamelen over vitale systeemcomponenten en de gezondheid of het stroomverbruik van bepaalde systeembelastingen te bepalen . Met behulp van gegevens van de CSA kan het systeem gegevensgestuurde beslissingen nemen, zoals zelfkalibratie, korte detectie of het beperken van de stroomstroom om componenten zoals eindversterkers (PA's) en andere verschillende elektronische systemen te laden en een goede werking te garanderen. De nauwkeurigheid, het hoogspanningsbereik en de voedingsspanningsonafhankelijke common-mode-bereik van een CSA maken het mogelijk om missiekritieke componenten gemakkelijker te bewaken en het succes van de missie te helpen verzekeren.

Overstroombeveiliging

Figuur 2 toont een gemeenschappelijke discrete opstelling van een CSA gekoppeld aan een comparator, waarbij een gedefinieerde referentiespanning wordt gebruikt om het uitschakelniveau in te stellen. In deze configuratie wordt de CSA aan de hoge kant gebruikt en wordt de differentiële spanning gemeten die over de meetweerstand wordt ontwikkeld. De CSA stuurt de output naar zowel de comparatoringang als de analoog-naar-digitaalomzetter. Met deze configuratie kan het systeem continu de stroom naar de belasting bewaken; als zich een onverwachte gebeurtenis voordoet, wordt de snelle comparator geactiveerd en wordt een datagestuurde beslissing genomen om het systeem te vertragen of uit te schakelen om een ​​volledige storing te voorkomen.

Figuur 2. Discrete overstroombeveiliging

De INA901-SP van Texas Instruments is een Qualified Manufacturers List (QML) Klasse V ruimteklasse CSA die geschikt is voor zowel high- als low-side detectie, met een ingangsspanning variërend van –15 V tot 65 V, een 50-krad ( Si) stralingsharden-verzekerde (RHA) specificatie bij een lage dosissnelheid en single-event latch-up (SEL) immuniteit tot een LET_EFF =75 MeV-cm ² /mg SEL. De INA901-SP helpt het aantal apparaten te minimaliseren dat nodig is om de gezondheid van de toevoerrail te bewaken en satellietsystemen te beschermen tegen overstroom.

Toepassingen voor radiofrequentiecommunicatie

Communicatiesystemen zijn een veelgebruikte toepassing voor detectie van laadpunten, waarbij CSA's een cruciale rol spelen bij het regelen van de werking van de PA gedurende de hele levensduur. Wanneer de communicatieapparatuur van een satelliet radiogolven uitzendt, regelt het aanpassen van de poortspanning voor het specifieke voorspanningspunt van de transistor in de PA de stroom die wordt geleverd om de systeemefficiëntie te helpen verbeteren. Er zijn twee methoden om de stroom door de PA te regelen. De eerste methode, een open-lusconcept, heeft enkele nadelen, waaronder een vaste stuurspanning voor de bias, die geen rekening houdt met de impact van voedingsvariaties, veroudering van het apparaat en fluctuaties veroorzaakt door temperatuurschommelingen. De tweede methode is een gesloten feedbackconcept dat gebruik maakt van een CSA en verschillende andere componenten, wat dynamische controle van de biaspunten van de PA-transistor mogelijk maakt, maar resulteert in een grotere voetafdruk op de printplaat.

Figuur 3 is een voorbeeld van een systeem met gesloten lus dat de stroom door de afvoer van de PA bewaakt, VDD bewaakt met een busmonitor en overstroombeveiliging met een comparator. Afhankelijk van uw beperkingen met betrekking tot bordruimte, kosten, precisie of het aantal antennes, kan de optimale methode voor dynamische besturing variëren. De meeste benaderingen omvatten een CSA om als onderdeel van de feedbackketen te dienen om de bias aan te passen en de efficiëntie te verbeteren.

Figuur 3. Busspanning, stroom en overstroomfeedback

Toepassingen met motoraandrijving

Bij motoraandrijftoepassingen genereert het motoraandrijfcircuit pulsbreedtegemoduleerde (PWM) signalen om de werking van een motor nauwkeurig te regelen. Deze gemoduleerde signalen zijn onderhevig aan de bewakingscircuits die in lijn zijn geplaatst met elke motorfase, die feedbackinformatie levert voor het regelcircuit. Omdat echte versterkers (in tegenstelling tot theoretische versterkers) niet perfect zijn, kan het falen van de versterker om de grote PWM-aangedreven ingangsspanningsstappen van de common-mode-spanning adequaat af te wijzen de output beïnvloeden. Real-world versterkers hebben geen oneindige common-mode onderdrukking en ongewenste fluctuaties verschijnen aan de versterkeruitgang die overeenkomt met elke ingangsspanningsstap.

Figuur 4 toont een voorbeeld van een CSA in een toepassing met motoraandrijving. De rode versterker geeft aan waar een inline CSA in het systeem moet worden geplaatst. Figuur 5 toont de output van een concurrerend apparaat, terwijl Figuur 6 toont de output van de INA240-SEP.

Figuur 4. Inline implementatie van CSA's (slechts één fase getoond)

Figuur 5. Concurrerende apparaatuitvoer versus PWM-invoer

Figuur 6. INA240-SEP-uitgang vs. PWM-ingang

Deze uitgangsfluctuaties kunnen behoorlijk groot zijn en, afhankelijk van de kenmerken van de versterker, kan het na de ingangsovergang veel tijd kosten om tot rust te komen. Door gebruik te maken van de verbeterde PWM-onderdrukkingstechnologie in de INA240-SEP, wordt een hoge mate van onderdrukking geboden voor grote common-mode transiënten (ΔV/Δt) in systemen die PWM-signalen gebruiken, wat vooral handig is in toepassingen met motoraandrijvingen en solenoïdes. Deze functie maakt nauwkeurige stroommetingen mogelijk met verminderde transiënten en bijbehorende herstelrimpel op de uitgangsspanning.

De INA240-SEP van Texas Instruments is een uiterst nauwkeurig apparaat dat in staat is tot een common-mode spanning van –4-V tot 80 V met een gain-fout van 0,2%, een gain-drift van 2,5 ppm/°C en een offset-spanning van ±25 V. Het apparaat maakt deel uit van TI's Space-Enhanced Plastic (Space EP) stralingstolerante portfolio tot 30-krad(Si), met SEL-immuniteit tot 43 MeV-cm ² /mg bij 125 °C, gericht op toepassingen in een lage baan om de aarde.

Conclusie

Current sensing biedt veel voordelen voor een systeem, waaronder geoptimaliseerde prestaties, verbeterde betrouwbaarheid en conditiebewaking om de vitale functies van het systeem te beschermen. Omdat CSA's van ruimtekwaliteit directe metingen met zeer nauwkeurige resultaten mogelijk maken, helpen ze systemen jarenlang correct te presteren in de meest veeleisende omgevingen. Voor meer ruimteproducten van Texas Instruments, zie www.ti.com/applications/industrial/aerospace-defense/overview.html#.

Industrieartikelen zijn een vorm van inhoud waarmee branchepartners nuttig nieuws, berichten en technologie kunnen delen met lezers van All About Circuits op een manier waarop redactionele inhoud niet goed geschikt is. Alle brancheartikelen zijn onderworpen aan strikte redactionele richtlijnen met de bedoeling de lezers nuttig nieuws, technische expertise of verhalen te bieden. De standpunten en meningen in brancheartikelen zijn die van de partner en niet noodzakelijk die van All About Circuits of zijn schrijvers.