Questo è il motivo principale per cui gli alimentatori utilizzati in questi satelliti devono soddisfare i rigorosi standard MIL in termini di progettazione, produzione e qualità.
I satelliti in orbita geostazionaria (GEO) compiono un'orbita completa attorno alla Terra in circa 24 ore a una velocità di circa 3 km/s e a un'altitudine di circa 35.786 km. Esistono solo tre satelliti principali in grado di coprire l'intero globo, poiché questi satelliti si trovano a grande distanza dalla Terra.
In confronto, i satelliti in orbita terrestre bassa (LEO) viaggiano intorno alla Terra a una velocità di 7,8 km/s a un'altitudine inferiore a 1.000 km, ma possono raggiungere un'altitudine minima di 160 km. Questa altitudine è inferiore rispetto all'orbita geostazionaria (GEO), ma è comunque più di 10 volte superiore all'altitudine di un aereo di linea commerciale, che è di 14 km.
La dose ionizzante totale (TID) e gli effetti da singolo evento (SEE) sono aspetti chiave da considerare negli alimentatori spaziali. I satelliti in orbita geostazionaria (GEO) sono soggetti a condizioni più severe a causa delle radiazioni rispetto a quelli in orbita terrestre bassa (LEO).
Essendo più distante dalla Terra, l'orbita geostazionaria (GEO) è più suscettibile alle radiazioni e, pertanto, i componenti utilizzati negli alimentatori dei satelliti GEO devono essere progettati per essere resistenti alle radiazioni, il che significa che tutti i componenti devono soddisfare i requisiti relativi alla dose ionizzante totale (TID) e all'emissione di raggi X da particelle (SEE), che possono raggiungere rispettivamente 100 kRad e 82 MeV cm²/mg.
Al contrario, i componenti dei satelliti LEO devono essere resistenti alle radiazioni (RT), con requisiti TID e SEE relativamente inferiori. Tuttavia, la mancata schermatura contro queste condizioni avverse può portare a guasti.
Sebbene i singoli satelliti possano essere utilizzati per ottenere immagini ad alta risoluzione, le costellazioni composte da un gran numero di satelliti relativamente più piccoli, dello stesso tipo o di tipo simile, creano in genere una rete attorno alla Terra per fornire una copertura ininterrotta. Lavorando in sinergia, queste costellazioni offrono copertura simultanea per diverse applicazioni, come i servizi internet e di telecomunicazione.
L'avvento del "Nuovo Spazio" ha permesso il lancio di numerosi satelliti più piccoli con carichi utili più leggeri per scopi commerciali. I servizi internet via satellite stanno lentamente ma inesorabilmente entrando in competizione con la banda larga tradizionale e offrono una connettività più affidabile per le aree remote, i veicoli passeggeri e persino il settore aerospaziale.
Figura 2: Confronto tra orbite GEO e LEO (Fonte: Agenzia Spaziale Europea)
Configurazione per la personalizzazione:
la configurabilità degli alimentatori è un fattore importante per soddisfare una varietà di specifiche di missione. I livelli di tensione sul bus di alimentazione sono solitamente standardizzati a determinati valori; tuttavia, la tensione dei pannelli solari non è sempre standardizzata. Ciò rende necessaria la riprogettazione di tutti i convertitori del sottosistema di alimentazione in base alla natura della missione.
Questa riprogettazione aumenta i costi e i tempi di sviluppo. Pertanto, è essenziale fornire convertitori CC/CC e regolatori a bassa caduta di tensione (LDO) in tutta l'architettura di alimentazione che soddisfino le specifiche standard, offrendo al contempo flessibilità di personalizzazione in base alle tensioni e al carico del sistema. Funzionalità come il parallelismo, la sincronizzazione e la connessione in serie sono di fondamentale importanza per gli alimentatori, considerando le specifiche delle diverse missioni spaziali.
Dimensioni, peso, potenza e costi:
a causa dello spazio limitato e delle ingenti risorse necessarie per lanciare oggetti nello spazio contro la gravità, è essenziale avere un ingombro ridotto, un volume minore e un peso inferiore, concentrando al contempo una maggiore potenza (kW) all'interno del volume disponibile. Ciò richiede una maggiore densità di potenza per ottimizzare lo spazio e una maggiore efficienza (>80%) per massimizzare l'utilizzo delle risorse disponibili nel sistema di alimentazione.
La regolazione del carico deve essere ottimizzata per garantire che l'uscita del convertitore CC/CC alimenti lo stadio successivo (LDO, carichi diretti), rispettando i requisiti di regolazione. Inoltre, le tolleranze di regolazione rispetto alle variazioni di temperatura sono fondamentali per garantire robustezza e durata.
I satelliti spaziali utilizzano l'energia solare come fonte energetica primaria per alimentare i loro carichi utili. Alcune delle tensioni di bus più comunemente utilizzate sono 28 V, 50 V, 72 V, 100 V e 120 V. Un convertitore CC/CC trasforma queste tensioni in tensioni secondarie come 3,3 V, 5 V, 12 V, 15 V e 28 V. Queste tensioni secondarie del bus vengono poi convertite in tensioni utilizzabili, come 0,8 V, 1,2 V e 1,5 V, con l'aiuto di punti di carico come i regolatori LDO, per alimentare i microcontrollori (MCU) e i field-programmable array (FPGA) che controllano i carichi utili del satellite.
Figura 3: Architettura di alimentazione semplificata per applicazioni satellitari, che utilizza la serie SA50-120 di convertitori di potenza CC/CC da 50 W resistenti alle radiazioni di Microchip (Fonte: Microchip Technology Inc.)
Effetti ambientali nello spazio:
l'ambiente spaziale è caratterizzato da agenti come plasma solare, protoni, elettroni, raggi cosmici galattici e ioni provenienti da brillamenti solari. Questo ambiente ostile causa effetti ambientali quali danni da spostamento (DD), inerzia mareale (TID) ed effetto superelettrodo (SEE), che si ripercuotono a livello di dispositivo.
Le considerazioni relative ai convertitori di potenza devono essere coerenti con le orbite in cui opera il satellite, nonché con la durata della missione. Ad esempio, le orbite geostazionarie (GEO) hanno requisiti di radiazione più stringenti rispetto alle orbite terrestri basse (LEO).
Il volume richiesto per le orbite LEO tende ad essere maggiore a causa del numero di satelliti più piccoli lanciati per formare le costellazioni. La gestione dell'alimentazione dei satelliti deve rispettare requisiti rigorosi e conformarsi a vari standard MIL per resistere all'ambiente ostile. Gli alimentatori utilizzati in questi satelliti devono inoltre ridurre al minimo dimensioni, peso, potenza e costo (SWaP-C).
Microchip offre convertitori DC/DC adatti a queste applicazioni spaziali con la serie SA50, resistente alle radiazioni e standard per lo spazio profondo o per i satelliti spaziali tradizionali in orbita GEO/MEO, e la LE50, e standard per applicazioni LEO/New Space. L'utilizzo di componenti standard in una struttura non ibrida può ridurre i rischi legati ai lotti e alla pianificazione della missione, garantendo soluzioni affidabili e robuste con tempi di commercializzazione più rapidi al costo desiderato.
Oltre ai requisiti di robustezza e SWaP-C, le soluzioni di alimentazione devono essere scalabili per coprire un'ampia gamma di livelli di qualità all'interno della stessa serie di prodotti. Ciò include anche l'offerta di una gamma di materiali di incapsulamento e opzioni di certificazione per soddisfare gli obiettivi della missione.
Ad esempio, i convertitori di potenza DC/DC isolati LE50-28 sono disponibili in nove varianti con uscite singole e triple per una configurabilità di progettazione ottimale. Questi convertitori di potenza sono dotati di un filtro EMI complementare e consentono agli ingegneri di progettare su larga scala e personalizzare il progetto scegliendo da una a tre uscite a seconda dell'intervallo di tensione richiesto per l'applicazione finale. Questa serie offre flessibilità con un massimo di quattro convertitori di potenza per raggiungere 200 W. Offre tolleranza alle radiazioni di grado spaziale con un TID di 50 Krad e immunità al latch-up SEE con un trasferimento di energia lineare di 37 MeV·cm²/mg.
La serie LE50-28 si basa su una topologia diretta che offre maggiore efficienza e un'ondulazione in uscita inferiore all'1%. È disponibile in un formato compatto di 3,055 × 2,055 × 0,55 pollici e pesa solo 120 grammi. Questi dispositivi standard non ibridi, resistenti alle radiazioni e adatti all'uso spaziale, in un package a montaggio superficiale, soddisfano gli standard Mil-Std-461, Mil-Std-883 e Mil-Std-202.
Inoltre, i convertitori di potenza DC/DC LE50-28, progettati per sistemi bus a 28 V, possono essere integrati con le FPGA PolarFirei sensori di controllo motore LX7720-RT per fornire una soluzione completa per il sistema elettrico. Ciò consente ai clienti di utilizzare i convertitori LE50 standard ed economici per personalizzare e configurare soluzioni sfruttando le funzionalità di parallelismo e sincronizzazione, creando sistemi di alimentazione più complessi in grado di soddisfare i requisiti di gestione dell'energia in orbita terrestre bassa (LEO).
Per le costellazioni satellitari di New Space, caratterizzate da volumi di produzione da bassi a medi e da rigorosi requisiti di costo e tempistica, le versioni sub-QML (Qualified Manufacturers List) in package plastici rappresentano la soluzione ottimale. Queste offrono la tolleranza alle radiazioni dei componenti QML (di grado spaziale), consentendo requisiti di selezione meno stringenti, il che si traduce in costi inferiori e tempi di consegna più brevi. Complementari al LE50 in questa categoria sono le versioni in package plastici dell'FPGA RTG4 e la variante LEO del PIC64 per il calcolo ad alte prestazioni in volo spaziale (PIC64-HPSC).
Autore: AMIT GOLE
Responsabile marketing di prodotto, Business Unit Alta Affidabilità e RF di Microchip Technology
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