这就是为什么这些卫星使用的电源必须在设计、制造和质量方面符合严格的军用标准的主要原因。.
地球同步轨道卫星以约3公里/秒的速度绕地球运行，轨道高度约为35786公里，运行周期约为24小时。由于这些卫星距离地球非常遥远，因此只有三颗主要的卫星可以覆盖全球。.
相比之下，低地球轨道（LEO）卫星以7.8公里/秒的速度绕地球运行，轨道高度低于1000公里，但最低可达地球上方160公里。虽然这个高度低于地球同步轨道（GEO），但仍然比商用客机的飞行高度（14公里）高出10倍以上。.
总电离剂量 (TID) 和单粒子效应 (SEE) 是空间电源需要考虑的关键因素。与低地球轨道 (LEO) 卫星相比，地球静止轨道 (GEO) 卫星由于辐射而面临更恶劣的环境。.
由于距离地球更远，地球同步轨道更容易受到辐射的影响，因此地球同步轨道卫星电源中使用的组件必须设计成抗辐射的，这意味着所有组件都必须满足总电离剂量 (TID) 和单电子发射 (SEE) 的要求，这两项指标分别可达 100 kRad 和 82 MeV cm²/mg。.
相比之下，低地球轨道卫星部件必须具备抗辐射能力（RT），其总剂量效应（TID）和单粒子效应（SEE）要求相对较低。然而，如果未能采取屏蔽措施来应对这些不利条件，则可能导致故障。.
虽然单颗卫星可以用于获取更高分辨率的图像，但通常情况下，由大量相同或相似类型、尺寸相对较小的卫星组成的星座会构建环绕地球的网络，从而提供不间断的覆盖。这些星座协同工作，可同时提供互联网和电信服务等多种覆盖应用。.
“新太空”的出现使得发射多颗小型卫星成为可能，这些卫星搭载的有效载荷也更轻，可用于商业用途。卫星互联网服务正逐步与传统宽带展开竞争，并为偏远地区、乘用车乃至航空航天领域提供更可靠的网络连接。.
图 2：地球同步轨道 (GEO) 和低地球轨道 (LEO) 的比较（来源：欧洲航天局）
定制化配置：
电源的可配置性是满足各种任务规范的重要因素。电源总线上的电压通常已标准化为特定值；然而，太阳能电池板的电压并非总是标准化的。这就需要根据任务的性质重新设计所有电源子系统转换器。
这种重新设计会增加成本和开发时间。因此，必须在整个电源架构中提供符合标准规范的DC/DC转换器和低压差线性稳压器（LDO），同时还要能够根据系统电压和负载进行灵活定制。对于不同航天任务的电源而言，并联、同步和串联等功能至关重要。.
尺寸、重量、功率和成本：
由于空间有限，且克服重力将物体发射到太空需要大量资源，因此必须尽可能缩小体积、减小尺寸和减轻重量，同时在给定体积内集中更多功率（千瓦）。这就要求更高的功率密度以优化空间利用，以及更高的效率（>80%）以最大限度地利用电力系统中的可用资源。
必须优化负载调节，以确保直流/直流转换器的输出能够满足下一级（低压差线性稳压器、直接负载）的调节要求。此外，调节对温度变化的容差是保证系统稳健性和耐久性的关键。.
航天卫星主要利用太阳能为其有效载荷供电。常用的总线电压包括 28V、50V、72V、100V 和 120V。直流/直流转换器将这些电压转换为 3.3V、5V、12V、15V 和 28V 等辅助电压。然后，借助低压差线性稳压器 (LDO) 等负载点，这些辅助总线电压被转换为 0.8V、1.2V 和 1.5V 等可用电压，为控制航天器有效载荷的微控制器 (MCU) 和现场可编程门阵列 (FPGA) 供电。.
图 3：用于卫星应用的简化电源架构，采用 Microchip 的 SA50-120 系列抗辐射 50 W DC/DC 电源转换器（来源：Microchip Technology Inc.）
太空环境效应：
太空环境包含太阳等离子体、质子、电子、银河宇宙射线以及太阳耀斑产生的离子等多种效应。这种恶劣环境会导致位移损伤 (DD)、潮汐惯性 (TID) 和超电极效应 (SEE) 等环境效应，进而影响器件性能。
电源转换器的设计必须与卫星运行轨道和任务持续时间相匹配。例如，地球静止轨道 (GEO) 的辐射要求比低地球轨道 (LEO) 更为严格。
由于 LEO 轨道需要发射大量小型卫星组成星座，因此其体积要求往往更大。卫星电源管理面临着严格的要求，必须符合各种军用标准 (MIL) 才能承受恶劣环境的考验。此外，这些卫星使用的电源还必须最大限度地降低尺寸、重量、功耗和成本 (SWaP-C)。
Microchip 为这些应用提供合适的空间 DC/DC 转换器，其中 SA50 系列标准产品适用于地球同步轨道 (GEO)/中地球轨道 (MEO) 的深空或传统空间卫星，而 LE50 系列标准产品则适用于低地球轨道 (LEO)/新空间应用。采用标准组件的非混合结构可以降低批量生产和任务进度方面的风险，确保以理想的成本实现可靠、稳健的解决方案，并加快产品上市速度。
除了稳健性和SWaP-C要求外，电源解决方案还必须具备可扩展性，以便在同一产品系列中涵盖广泛的质量等级。这还包括提供一系列封装材料和认证选项，以满足任务目标。.
例如， LE50-28 隔离式 DC/DC 电源转换器 提供九种型号，包括单路和三路输出，以实现最佳的设计配置灵活性。这些电源转换器配备互补型 EMI 滤波器，工程师可以根据最终应用所需的电压范围，选择一到三个输出，从而实现规模化设计并定制设计。该系列产品最多可使用四个电源转换器，实现 200 W 的功率输出，具有极高的灵活性。它具备航天级抗辐射能力，总剂量 (TID) 为 50 Krad，并具有单粒子效应 (SEE) 闩锁抑制能力，线性能量传输系数为 37 MeV·cm²/mg。
LE50-28 系列采用直接拓扑结构，效率更高，输出纹波小于 1%。它采用紧凑型封装，尺寸仅为 3.055 × 2.055 × 0.55 英寸，重量仅为 120 克。这些航天级、抗辐射、非混合型标准器件采用表面贴装封装，符合 Mil-Std-461、Mil-Std-883 和 Mil-Std-202 标准。.
此外，专为 28V 总线系统设计的 LE50-28 DC/DC 电源转换器可与Microchip 的 PolarFire FPGA 、MCU 和LX7720-RT电机控制传感器集成，从而提供完整的电气系统解决方案。这使得客户能够使用标准且经济高效的 LE50 转换器，通过并联和同步功能定制和配置解决方案，构建更复杂的电源系统，以满足低地球轨道 (LEO) 电源管理的要求。
对于New Space公司中小批量卫星星座项目而言，由于其对成本和进度要求严格，采用塑料封装的低于合格制造商清单（QML）标准的版本是最佳解决方案。这些版本具备QML（航天级）组件的抗辐射性能，从而降低了选型要求，最终降低成本并缩短交付周期。与LE50同属此类别的还有RTG4 FPGA的塑料封装版本以及用于航天高性能计算的PIC64 LEO版本（PIC64-HPSC）。
作者：AMIT GOLE
，Microchip Technology高可靠性和射频业务部市场产品经理
https://www.microchip.com
