Dies ist der Hauptgrund, warum die in diesen Satelliten verwendeten Stromversorgungen hinsichtlich Konstruktion, Fertigung und Qualität strengen MIL-Standards entsprechen müssen.
Satelliten in geostationärer Umlaufbahn (GEO) umkreisen die Erde in etwa 24 Stunden mit einer Geschwindigkeit von rund 3 km/s und einer Höhe von etwa 35.786 km. Nur drei Hauptsatelliten können die gesamte Erde abdecken, da sich diese in großer Entfernung von der Erde befinden.
Satelliten in der erdnahen Umlaufbahn (LEO) umkreisen die Erde mit einer Geschwindigkeit von 7,8 km/s in einer Höhe von unter 1.000 km, können aber bis auf 160 km über der Erde absinken. Diese Höhe ist zwar geringer als in der geostationären Umlaufbahn (GEO), aber immer noch mehr als zehnmal so hoch wie die Flughöhe eines Verkehrsflugzeugs, die bei 14 km liegt.
Die Gesamtdosis ionisierender Strahlung (TID) und Einzelereigniseffekte (SEE) sind entscheidende Aspekte bei der Stromversorgung von Weltraumstationen. Satelliten in geostationären Umlaufbahnen (GEO) sind aufgrund der Strahlung stärkeren Belastungen ausgesetzt als solche in erdnahen Umlaufbahnen (LEO).
Da die GEO-Umlaufbahn weiter von der Erde entfernt ist, ist sie anfälliger für Strahlung. Daher müssen die in den Stromversorgungen von GEO-Satelliten verwendeten Komponenten strahlungsresistent ausgelegt sein. Das bedeutet, dass alle Komponenten die Anforderungen an die gesamte ionisierende Dosis (TID) und die spezifische Ionenausbeute (SEE) erfüllen müssen, die bis zu 100 kRad bzw. 82 MeV cm²/mg erreichen können.
Im Vergleich dazu müssen LEO-Satellitenkomponenten strahlungstolerant (RT) sein und weisen relativ geringere Anforderungen an die Strahlungsbeständigkeit (TID) und die Oberflächenstrahlungsbeständigkeit (SEE) auf. Wird jedoch auf eine Abschirmung gegen diese widrigen Bedingungen verzichtet, kann dies zu Ausfällen führen.
Einzelne Satelliten können zwar hochauflösende Bilder liefern, doch typischerweise bilden Konstellationen aus einer großen Anzahl relativ kleiner Satelliten desselben oder eines ähnlichen Typs ein Netzwerk um die Erde, um eine lückenlose Abdeckung zu gewährleisten. Im Zusammenspiel ermöglichen diese Konstellationen die gleichzeitige Bereitstellung verschiedener Anwendungen wie Internet- und Telekommunikationsdienste.
Die Entwicklung des „New Space“ hat den Start zahlreicher kleinerer Satelliten mit leichteren Nutzlasten für kommerzielle Zwecke ermöglicht. Satelliteninternetdienste konkurrieren langsam, aber stetig mit herkömmlichen Breitbandanschlüssen und bieten zuverlässigere Verbindungen für abgelegene Gebiete, Personenkraftwagen und sogar die Luft- und Raumfahrtindustrie.
Abbildung 2: Vergleich zwischen GEO- und LEO-Umlaufbahnen (Quelle: Europäische Weltraumorganisation)
Konfiguration für kundenspezifische Anpassung:
Die Konfigurierbarkeit von Stromversorgungen ist ein wichtiger Faktor für die Erfüllung verschiedener Missionsanforderungen. Die Spannungspegel am Strombus sind üblicherweise auf bestimmte Werte standardisiert; die Spannung von Solarmodulen ist jedoch nicht immer standardisiert. Dies erfordert eine Anpassung aller Wandler des Stromversorgungssystems an die jeweilige Mission.
Diese Neugestaltung erhöht Kosten und Entwicklungszeit. Daher ist es unerlässlich, DC/DC-Wandler und Low-Dropout-Regler (LDOs) in der gesamten Stromversorgungsarchitektur einzusetzen, die Standardvorgaben erfüllen und gleichzeitig Flexibilität für kundenspezifische Anpassungen an Systemspannungen und Lasten bieten. Funktionen wie Parallelschaltung, Synchronisierung und serielle Verbindung sind für Stromversorgungen im Hinblick auf die Spezifikationen verschiedener Weltraummissionen von entscheidender Bedeutung.
Größe, Gewicht, Leistung und Kosten:
Aufgrund des begrenzten Platzes und des erheblichen Ressourcenaufwands für den Start von Objekten ins All gegen die Schwerkraft ist es unerlässlich, eine geringe Stellfläche, ein kleineres Volumen und ein geringeres Gewicht zu erzielen und gleichzeitig eine höhere Leistung (kW) im gegebenen Volumen zu konzentrieren. Dies erfordert eine höhere Leistungsdichte zur Optimierung des Platzes und einen höheren Wirkungsgrad (>80 %), um die verfügbaren Ressourcen im Energiesystem bestmöglich zu nutzen.
Die Lastregelung muss optimiert werden, um sicherzustellen, dass der Ausgang des DC/DC-Wandlers die nächste Stufe (LDO, Direktlasten) versorgt und die Regelungsanforderungen erfüllt. Darüber hinaus sind Toleranzen gegenüber Temperaturschwankungen entscheidend für Robustheit und Langlebigkeit.
Weltraumsatelliten nutzen Solarenergie als primäre Energiequelle für ihre Nutzlasten. Zu den gängigsten Busspannungen gehören 28 V, 50 V, 72 V, 100 V und 120 V. Ein DC/DC-Wandler wandelt diese Spannungen in Sekundärspannungen wie 3,3 V, 5 V, 12 V, 15 V und 28 V um. Diese Sekundärspannungen werden anschließend mithilfe von Lastpunkten wie LDOs in nutzbare Spannungen wie 0,8 V, 1,2 V und 1,5 V umgewandelt, um die Mikrocontroller (MCUs) und FPGAs (Field-Programmable Arrays) zu versorgen, die die Nutzlasten des Raumfahrzeugs steuern.
Abbildung 3: Vereinfachte Stromversorgungsarchitektur für Satellitenanwendungen unter Verwendung der strahlungsresistenten 50-W-DC/DC-Wandler der Serie SA50-120 von Microchip (Quelle: Microchip Technology Inc.)
Umwelteinflüsse im Weltraum:
Die Weltraumumgebung ist Einflüssen wie Sonnenplasma, Protonen, Elektronen, galaktischer kosmischer Strahlung und Ionen aus Sonneneruptionen ausgesetzt. Diese extremen Bedingungen verursachen Umwelteinflüsse wie Verschiebungsschäden (DD), Gezeitenträgheit (TID) und den Superelektrodeneffekt (SEE), die Auswirkungen auf die einzelnen Geräte haben.
Die Auslegung der Stromversorgung muss mit den Umlaufbahnen des Satelliten und der Missionsdauer übereinstimmen. Beispielsweise gelten für geostationäre Umlaufbahnen (GEO) strengere Strahlungsanforderungen als für erdnahe Umlaufbahnen (LEO).
Der Platzbedarf für LEO ist aufgrund der Vielzahl kleinerer Satelliten, die zur Bildung von Konstellationen gestartet werden, tendenziell höher. Das Energiemanagement von Satelliten unterliegt strengen Anforderungen und muss verschiedene MIL-Standards erfüllen, um den extremen Bedingungen standzuhalten. Die in diesen Satelliten verwendeten Stromversorgungen müssen zudem hinsichtlich Größe, Gewicht, Leistungsaufnahme und Kosten (SWaP-C) optimiert sein.
Microchip bietet für diese Anwendungen geeignete DC/DC-Wandler für den Weltraum an: Die strahlungsresistente SA50-Serie ist Standard für Tiefraum- oder herkömmliche Weltraumsatelliten in GEO/MEO-Umlaufbahnen, während die LE50- Serie für LEO/New-Space-Anwendungen geeignet ist. Der Einsatz von Standardkomponenten in einer nicht-hybriden Struktur minimiert Risiken hinsichtlich Chargengröße und Missionsplan und gewährleistet zuverlässige und robuste Lösungen mit kürzerer Markteinführungszeit zum gewünschten Preis.
Neben Robustheit und geringen Abmessungen (SWaP-C) müssen Stromversorgungslösungen auch skalierbar sein, um innerhalb derselben Produktserie ein breites Spektrum an Qualitätsstufen abzudecken. Dies umfasst auch die Bereitstellung verschiedener Verkapselungsmaterialien und Zertifizierungsoptionen, um die jeweiligen Missionsziele zu erreichen.
Die isolierten DC/DC-Wandler LE50-28 von Microchip sind beispielsweise in neun Varianten mit einem oder drei Ausgängen für optimale Designkonfigurierbarkeit erhältlich. Diese Wandler verfügen über einen komplementären EMV-Filter und ermöglichen es Ingenieuren, die Schaltung in großem Maßstab zu entwickeln und das Design durch die Wahl von einem bis drei Ausgängen je nach benötigtem Spannungsbereich der Endanwendung anzupassen. Die Serie bietet Flexibilität mit bis zu vier Wandlern zur Erreichung einer Leistung von 200 W. Sie bietet Strahlungsbeständigkeit nach Weltraumstandard mit einer Gesamtintensitätsdichte (TID) von 50 krad und Latch-up-Immunität gegen SEEs mit einem linearen Energietransfer von 37 MeV·cm²/mg.
Die LE50-28-Serie basiert auf einer direkten Topologie, die einen höheren Wirkungsgrad und eine Ausgangswelligkeit von unter 1 % bietet. Sie ist in einem kompakten Gehäuse mit den Abmessungen 77,5 × 52,5 × 14 mm (3,055 × 2,055 × 0,55 Zoll) und einem Gewicht von nur 120 Gramm erhältlich. Diese strahlungsresistenten, nicht-hybriden Standardbauteile in SMD-Bauform erfüllen die Normen Mil-Std-461, Mil-Std-883 und Mil-Std-202.
Die für 28-V-Bussysteme entwickelten DC/DC-Wandler LE50-28 lassen sich mit den PolarFire FPGAs und MCUs von Microchip sowie den LX7720-RT- Motorsteuerungssensoren von Microchip zu einer kompletten Lösung für elektrische Systeme integrieren. So können Kunden die standardmäßigen und kostengünstigen LE50-Wandler nutzen, um mithilfe von Parallel- und Synchronisationsfunktionen individuelle Lösungen zu entwickeln und zu konfigurieren. Dadurch lassen sich komplexere Stromversorgungssysteme realisieren, die den Anforderungen des Energiemanagements im erdnahen Orbit (LEO) gerecht werden.
Für die kleinen bis mittleren Satellitenkonstellationen von New Space mit ihren strengen Kosten- und Zeitvorgaben sind Sub-QML-Versionen (Qualified Manufacturers List) in Kunststoffgehäusen die optimale Lösung. Diese bieten die Strahlungsbeständigkeit von QML-Komponenten (für die Raumfahrt geeignet) und ermöglichen so weniger strenge Auswahlkriterien, was zu geringeren Kosten und kürzeren Lieferzeiten führt. Ergänzend zum LE50 in dieser Kategorie sind die Kunststoffversionen des RTG4 FPGA und die LEO-Variante des PIC64 für Hochleistungsrechnen in der Raumfahrt (PIC64-HPSC) verfügbar.
Autor: AMIT GOLE
, Produktmanager Marketing, Geschäftsbereich Hochzuverlässigkeit und HF bei Microchip Technology
https://www.microchip.com
