C’est la principale raison pour laquelle les alimentations utilisées dans ces satellites doivent respecter des normes militaires strictes en matière de conception, de fabrication et de qualité.
Les satellites en orbite géostationnaire font le tour de la Terre en environ 24 heures à une vitesse d'environ 3 km/s et à une altitude d'environ 35 786 km. Seuls trois satellites principaux peuvent couvrir l'ensemble du globe, car ils sont situés à une grande distance de la Terre.
En comparaison, les satellites en orbite basse (LEO) se déplacent autour de la Terre à une vitesse de 7,8 km/s à une altitude inférieure à 1 000 km, mais peuvent atteindre une altitude aussi basse que 160 km. Cette altitude est inférieure à celle de l'orbite géostationnaire (GEO), mais elle reste plus de dix fois supérieure à l'altitude de vol d'un avion de ligne commercial, qui est de 14 km.
La dose ionisante totale (TID) et les effets d'événements uniques (SEE) sont des aspects essentiels à prendre en compte pour les systèmes d'alimentation électrique spatiaux. Les satellites en orbite géostationnaire (GEO) sont soumis à des conditions de rayonnement plus extrêmes que ceux en orbite terrestre basse (LEO).
Étant plus éloignée de la Terre, l'orbite géostationnaire est plus sensible aux radiations et, par conséquent, les composants utilisés dans les alimentations des satellites géostationnaires doivent être conçus pour être résistants aux radiations, ce qui signifie que tous les composants doivent répondre aux exigences en matière de dose ionisante totale (TID) et de SEE, qui peuvent atteindre 100 kRad et 82 MeV cm²/mg.
En comparaison, les composants des satellites en orbite basse doivent être résistants aux radiations (RT), avec des exigences relativement plus faibles en matière de TID et de SEE. Cependant, l'absence de protection contre ces conditions défavorables peut entraîner des défaillances.
Bien que des satellites individuels puissent être utilisés pour obtenir des images à plus haute résolution, des constellations composées d'un grand nombre de satellites relativement plus petits, de même type ou de types similaires, forment généralement un réseau autour de la Terre afin d'assurer une couverture continue. Fonctionnant de concert, ces constellations permettent de fournir simultanément des services tels que l'accès à Internet et les télécommunications.
L'avènement du « New Space » a permis le lancement de nombreux petits satellites, dotés de charges utiles plus légères, à des fins commerciales. Les services internet par satellite concurrencent progressivement le haut débit traditionnel et offrent une connectivité plus fiable aux zones reculées, aux véhicules de tourisme et même au secteur aérospatial.
Figure 2 : Comparaison entre les orbites GEO et LEO (Source : Agence spatiale européenne)
Configuration pour la personnalisation :
La configurabilité des alimentations est essentielle pour répondre aux exigences de diverses missions. Les niveaux de tension sur le bus d’alimentation sont généralement standardisés ; or, la tension des panneaux solaires ne l’est pas toujours. Il est donc nécessaire de repenser tous les convertisseurs des sous-systèmes d’alimentation en fonction des spécificités de la mission.
Cette refonte entraîne une augmentation des coûts et des délais de développement. Il est donc essentiel d'intégrer des convertisseurs CC/CC et des régulateurs à faible chute de tension (LDO) à l'ensemble de l'architecture d'alimentation, en respectant les spécifications standard tout en offrant une flexibilité de personnalisation en fonction des tensions et de la charge du système. Des fonctionnalités telles que la mise en parallèle, la synchronisation et la connexion série sont primordiales pour les alimentations, notamment pour répondre aux exigences des différentes missions spatiales.
Taille, poids, puissance et coût :
compte tenu de l’espace limité et des ressources considérables nécessaires pour lancer des objets dans l’espace contre la gravité, il est essentiel de réduire l’encombrement, le volume et le poids, tout en concentrant une puissance (kW) plus élevée dans un volume donné. Ceci implique une densité de puissance plus importante pour optimiser l’espace et un rendement supérieur à 80 % afin de maximiser l’utilisation des ressources disponibles dans le système d’alimentation.
La régulation de charge doit être optimisée afin de garantir que la sortie du convertisseur CC/CC alimente l'étage suivant (LDO, charges directes), conformément aux exigences de régulation. De plus, la tolérance de régulation aux variations de température est essentielle pour assurer la robustesse et la durabilité.
Les satellites spatiaux utilisent l'énergie solaire comme principale source d'énergie pour alimenter leurs charges utiles. Les tensions de bus les plus courantes sont de 28 V, 50 V, 72 V, 100 V et 120 V. Un convertisseur CC/CC transforme ces tensions en tensions secondaires telles que 3,3 V, 5 V, 12 V, 15 V et 28 V. Ces tensions secondaires sont ensuite converties en tensions utilisables, par exemple 0,8 V, 1,2 V et 1,5 V, grâce à des régulateurs de tension tels que des LDO (régulateurs LDO), afin d'alimenter les microcontrôleurs (MCU) et les FPGA (réseaux programmables sur site) qui contrôlent les charges utiles du satellite.
Figure 3 : Une architecture d'alimentation simplifiée pour les applications satellitaires, utilisant la série SA50-120 de convertisseurs de puissance CC/CC 50 W résistants aux radiations de Microchip (Source : Microchip Technology Inc.)
Effets environnementaux dans l'espace :
L'environnement spatial est composé de phénomènes tels que le plasma solaire, les protons, les électrons, les rayons cosmiques galactiques et les ions issus des éruptions solaires. Cet environnement extrême engendre des effets environnementaux comme les dommages par déplacement (DD), l'inertie de marée (TID) et l'effet de superélectrode (SEE), qui se répercutent sur les dispositifs.
Le choix du convertisseur de puissance doit être adapté à l'orbite du satellite et à la durée de la mission. Par exemple, les orbites géostationnaires (GEO) sont soumises à des exigences de rayonnement plus strictes que les orbites terrestres basses (LEO).
Le volume requis pour les LEO est généralement plus important en raison du nombre de petits satellites lancés pour former des constellations. La gestion de l'alimentation des satellites est soumise à des exigences rigoureuses et doit respecter diverses normes militaires pour résister à cet environnement extrême. Les alimentations utilisées dans ces satellites doivent également minimiser leur taille, leur poids, leur consommation et leur coût (SWaP-C).
Microchip propose des convertisseurs DC/DC adaptés au spatial pour ces applications, avec la série SA50, résistante aux radiations, pour l'espace lointain ou les satellites spatiaux traditionnels en orbite GEO/MEO, et la LE50 , pour les applications LEO/New Space. L'utilisation de composants standard dans une structure non hybride permet de limiter les risques liés aux lots et au calendrier des missions, garantissant ainsi des solutions fiables et robustes, un délai de mise sur le marché plus court et un coût optimal.
Outre les exigences de robustesse et de SWaP-C, les solutions d'alimentation doivent également être modulables afin de couvrir un large éventail de niveaux de qualité au sein d'une même gamme de produits. Cela implique également de proposer une gamme de matériaux d'encapsulation et d'options de certification pour répondre aux objectifs opérationnels.
Par exemple, les convertisseurs de puissance CC/CC isolés LE50-28 sont disponibles en neuf variantes à une ou trois sorties pour une configurabilité optimale. Ces convertisseurs intègrent un filtre EMI et permettent aux ingénieurs de concevoir à grande échelle et de personnaliser le système en choisissant une à trois sorties selon la plage de tension requise pour l'application finale. Cette série offre une grande flexibilité, avec jusqu'à quatre convertisseurs pour atteindre une puissance de 200 W. Elle présente une tolérance aux radiations de qualité spatiale (TID de 50 krad) et une immunité au verrouillage des SEE (transfert d'énergie linéaire de 37 MeV·cm²/mg).
La série LE50-28 repose sur une topologie directe offrant un rendement élevé et une ondulation de sortie inférieure à 1 %. Elle se présente dans un boîtier compact de 77,6 × 52,2 × 14 mm (3,055 × 2,055 × 0,55 pouces) et ne pèse que 120 grammes. Ces composants non hybrides, de qualité spatiale et résistants aux radiations, sont conformes aux normes Mil-Std-461, Mil-Std-883 et Mil-Std-202.
De plus, les convertisseurs de puissance CC/CC LE50-28, conçus pour les systèmes de bus 28 V, peuvent être intégrés aux FPGA PolarFireaux capteurs de commande de moteur LX7720-RT afin de fournir une solution de système électrique complète. Les clients peuvent ainsi utiliser des convertisseurs LE50 standard et économiques pour personnaliser et configurer des solutions grâce aux fonctions de mise en parallèle et de synchronisation, créant ainsi des systèmes d'alimentation plus complexes capables de répondre aux exigences de la gestion de l'énergie en orbite terrestre basse (LEO).
Pour les constellations de satellites de faible à moyenne envergure de New Space, soumises à des contraintes strictes de coûts et de délais, les versions en boîtier plastique, conformes aux normes QML (Qualified Manufacturers List), constituent la solution optimale. Offrant la même résistance aux radiations que les composants QML (qualité spatiale), elles permettent d'assouplir les critères de sélection, ce qui se traduit par des coûts et des délais de livraison réduits. Dans cette catégorie, les versions en boîtier plastique du FPGA RTG4 et la variante LEO du PIC64 pour le calcul haute performance en vol spatial (PIC64-HPSC) complètent la solution LE50.
Auteur : AMIT GOLE,
chef de produit marketing, division Haute fiabilité et RF de Microchip Technology
https://www.microchip.com
